卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員開發(fā)了一種包含鋰微粒的雙導電聚合物/碳復合基質(zhì)，可用于下一代電池的電極材料。

phys.org網(wǎng)站6月12日報道，最新一期的《焦耳》雜志發(fā)文稱，美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員開發(fā)了一種半液態(tài)鋰金屬陽極，這種陽極設計有望成為下一代電池的新范式。使用新型半液態(tài)電極的鋰電池或可具備更高的容量，并且比傳統(tǒng)鋰電池更安全。

鋰電池是現(xiàn)代電子產(chǎn)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(zhì)和陰、陽電極構(gòu)成的，陽極和陰極之間由薄膜材料隔開。鋰電池在經(jīng)歷反復的充/放電過程后，其電極表面會形成鋰質(zhì)“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(fā)電池短路，嚴重情況下甚至會起火。

卡內(nèi)基梅隆大學教授KrzysztofMatyjaszewski說：“理論上講，將金屬鋰陽極與鋰離子電池進行結(jié)合，有可能制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?！庇醒芯咳藛T提出了用固體陶瓷電解質(zhì)代替揮發(fā)性液體電解質(zhì)的解決方案。固體陶瓷電解質(zhì)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(zhì)又出現(xiàn)了新的問題：陶瓷電解質(zhì)和固體鋰陽極之間的“弱接觸”不足以儲存和提供大多數(shù)電子產(chǎn)品所需的電量。

卡內(nèi)基梅隆大學化學系的博士生SipeiLi和材料科學與工程系博士生HanWang制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JayWhitacre教授指導下，Li和Wang制造了一種包含均勻分布的鋰微粒的雙導電聚合物/碳復合基質(zhì)。該基質(zhì)在室溫下具有流動性，這使得它與固體電解質(zhì)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(zhì)相結(jié)合，新電池的電流密度有望比傳統(tǒng)固體電解質(zhì)-鋰箔電池高10倍。此外，新電池的壽命也比傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)中實現(xiàn)這一目標。”

研究人員認為他們的成果會對電池行業(yè)產(chǎn)生深遠影響。例如，它可以用于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(tǒng)（鈉金屬電池和鉀金屬電池），并有用于電網(wǎng)規(guī)模的能源儲存技術(shù)的可能性。