卡內基梅隆大學的研究人員開發了一種包含鋰微粒的雙導電聚合物/碳複合基質，可用於下一代電池的電極材料。
phys.org網站6月12日報導，最新一期的《焦耳》雜誌發文稱，美國卡內基梅隆大學的研究人員開發了一種半液態鋰金屬陽極，這種陽極設計有望成為下一代電池的新範式。使用新型半液態電極的鋰電池或可具備更高的容量，並且比傳統鋰電池更安全。
鋰電池是現代電子產品中最常見的可充電電池之一。一般來講，鋰電池是由可燃液體電解質和陰、陽電極構成的，陽極和陰極之間由薄膜材料隔開。鋰電池在經歷反覆的充/放電過程後，其電極表面會形成鋰質「枝晶」。枝晶可能會穿透分隔電極的薄膜，造成陽極與陰極的接觸，進而引發電池短路，嚴重情況下甚至會起火。
卡內基梅隆大學教授Krzysztof Matyjaszewski說：「理論上講，將金屬鋰陽極與鋰離子電池進行結合，有可能製造出比石墨陽極電池容量大得多的高容量電池。但是，我們首先需要確保的事情是安全。」有研究人員提出了用固體陶瓷電解質代替揮發性液體電解質的解決方案。固體陶瓷電解質不僅導電性很高、還具有良好的不燃性和足夠強的抗枝晶性。然而，使用固體陶瓷電解質又出現了新的問題：陶瓷電解質和固體鋰陽極之間的「弱接觸」不足以儲存和提供大多數電子產品所需的電量。
卡內基梅隆大學化學系的博士生Sipei Li和材料科學與工程系博士生Han Wang製造了一種半流體金屬陽極新材料，攻克了這一難點。在Matyjaszewski教授和Jay Whitacre教授指導下，Li和Wang製造了一種包含均勻分布的鋰微粒的雙導電聚合物/碳複合基質。該基質在室溫下具有流動性，這使得它與固體電解質保持了足夠的接觸性。通過將半液體金屬陽極與石榴石基固體陶瓷電解質相結合，新電池的電流密度有望比傳統固體電解質-鋰箔電池高10倍。此外，新電池的壽命也比傳統電池更長。Whitacre說：「具備流動性的金屬鋰電池陽極的安全性和綜合性能非常吸引人。這種新電極材料可能會顯著改善鋰基可充電電池的性能。目前，我們正在努力研究如何利用新材料在更多電池結構中實現這一目標。」
研究人員認為他們的成果會對電池行業產生深遠影響。例如，它可以用於電動汽車的高容量電池、可穿戴設備使用的專用柔性電池等。此外，他們還認為新材料可以拓展到鋰電池以外的其他可充電電池系統（鈉金屬電池和鉀金屬電池），並有用於電網規模的能源儲存技術的可能性。
科界原創
編譯：雷鑫宇
責編：唐林芳
期刊來源：《焦耳》
期刊編號：2542-4351
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