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世界各地的工程師一直在競相設計更高效的電池 ， 以滿足手機、電腦和電動車等各種日常生活用品的電力存儲需求 。 近期 ， 中科大研究團隊提出了一種電池陽極新技術 ， 讓如今只存在于電解質中的鋰用在陽極上 ， 純鋰陽極提升了電池性能 ， 研發成功的實驗電池只需充電6分鐘就達到了60%電量 ， 比如一臺續航500公里的車 ， 充電6分鐘就可以續航300公里 ， 這項技術到底如何實現？下面我們來詳細分析 。
純鋰陽極是什么？
在可能用于陽極的所有材料中 ， 鋰具有最大的潛力 ， 根據化學專家的說法 ， 鋰非常輕巧 ， 并且具有最高的能量密度 ， 在相同的單位體積內 ， 純鋰陽極的電池更輕、容量更大 。 但鋰面臨的重大挑戰使其在陽極中的應用變得困難 。
大多數鋰離子電池 ， 如手機或電動車的電池 ， 工作方式類似 。 關鍵部件包括陽極和陰極 ， 將它們分開的被稱為電解質 ， 電解質是一種負載有正電鋰離子的固體或液體 ， 基本原理是鋰離子在陽極和陰極之間移動 ， 電子從電池陽極流出并進入耗電設備的負極 ， 電子通過電路后重新進入電池的陰極 ， 形成循環放電 。
在充電過程中 ， 電解液中帶正電的鋰離子被帶負電的陽極吸引 ， 鋰在陽極上積累 。 現在我們實用的鋰離子電池 ， 陽極實際上是由石墨、硅或者鋁制成的 ， 純鋰陽極的成功研發是一個重大突破 ， 這是因為純鋰陽極一直存在問題 。
純鋰陽極的研發難點是什么？
這是因為鋰離子在充電過程中聚集在陽極上時會膨脹 。 所有負極材料 ， 包括石墨和硅 ， 在充電過程中都會有些膨脹 ， 但不像鋰 ， 相對于其他材料 ， 鋰在充電過程中的膨脹“幾乎是無限的” 。 它的膨脹也是不均勻的 ， 導致外表面形成凹坑和裂縫 ， 就像給一個氣球涂上油漆 ， 接著充氣 ， 氣球外部的油漆會無規則破裂 。
陽極表面產生的裂縫使寶貴的鋰離子逸出 ， 形成毛發狀或苔蘚狀生長物 ， 稱為枝晶 。 反過來 ， 枝晶會使電池短路并縮短其壽命 。
防止這種堆積是使用鋰作為電池陽極的第一個挑戰 。 第二個工程挑戰涉及找到一種方法來處理鋰陽極與電解質之間的高度化學反應 ， 這種反應會耗盡電解液并縮短電池壽命 。 此外 ， 純鋰陽極和電解質接觸時會產生熱量 。 鋰電池如果過熱到一定的程度 ， 就會起火 ， 甚至爆炸 。 因此這是一個嚴重的安全問題 。
中科大研究團隊的解決方案
為了解決這些問題 ， 中科大研究團隊在鋰陽極上建造了一層相互連接的碳穹頂保護層 ， 也被稱為納米球保護層 。 結構類似于蜂窩 ， 形成了一種靈活、均勻且非反應性的薄膜 ， 可以保護不穩定的鋰 。 碳納米球保護層只有 20 納米厚 ， 需要 5000 層 ， 一層一層地堆疊起來 ， 才能達到一根人類頭發的寬度 ， 因此研發成功并不容易 。
理想的鋰金屬陽極保護層需要具有化學穩定性 ， 以防止與電解液發生化學反應 ， 并且機械強度高 ， 以承受充電過程中鋰的膨脹 ， 納米球層由無定形碳制成 ， 化學性質穩定 ， 堅固且柔韌 ， 可在電池正常充放電循環期間隨著鋰的膨脹和收縮自由上下移動 。
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