據(jù)外媒報道，科學(xué)家們希望改善當(dāng)今鋰電池性能的眾多方法之一就是將部分液體成分替換為固體成分。這些被稱為固態(tài)電池的實驗裝置通過大幅提高電池內(nèi)部的能量密度來極大地延長電動汽車和移動設(shè)備的使用壽命。現(xiàn)在，來自麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們就帶來了一個令人興奮的未來進展，其展示了一種克服了一些當(dāng)前設(shè)計限制的新型固態(tài)電池結(jié)構(gòu)。

資料圖

在普通鋰電池中，當(dāng)電池充電和放電時，液體電解質(zhì)以離子的形式在正負極之間來回移動，但問題之一是，這種液體的揮發(fā)性極強，有時甚至還會引發(fā)電池起火，就像當(dāng)年的三星Galaxy Note 7智能手機那樣。

將這種液體電解質(zhì)替換為固體材料不僅能讓電池變得更加安全、更不容易著火，而且還能為電池的其他關(guān)鍵部件發(fā)現(xiàn)新的可能性。根據(jù)最近發(fā)表在《Trends in chemistry》上的一篇研究論文顯示，目前鋰電池的陽極由銅和石墨混合制成，但如果它由純鋰制成則可能能打破當(dāng)前鋰離子化學(xué)的能量密度瓶頸。

因此，純鋰陽極的巨大潛力使其成為了電池研究人員的一個高度優(yōu)先考慮的對象，而一個關(guān)鍵的踏腳石是引入一種可行的固體電解質(zhì)使其能夠工作。但真想要實現(xiàn)則存在著重大障礙，當(dāng)電池充電時，鋰金屬內(nèi)部的原子堆積導(dǎo)致其膨脹，在使用過程中又會因為減少而導(dǎo)致金屬收縮，這使得材料之間幾乎不可能持續(xù)接觸并還可能導(dǎo)致電解質(zhì)破裂。

這就是MIT新電池架構(gòu)可能克服的問題。該團隊開發(fā)了一種被叫做混合離子-電子導(dǎo)體(MIEC)和電子和鋰離子絕緣體(ELI)的固體材料組合。它們被打造成一個三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而由MIEC制成的納米管構(gòu)成了這個謎題的關(guān)鍵部分。

這些管被注入固體鋰金屬形成的電池陽極。由于每個管子內(nèi)部都有額外的空間，所以鋰金屬在充放電的時候能有多余的空間來進行膨脹和收縮。通過這種方式，這種材料在固體和液體材料之間保持著微妙的平衡并且移動方式非常像液體。

所有這一切都發(fā)生在蜂窩結(jié)構(gòu)的陽極內(nèi)，ELI則被涂在管壁上充當(dāng)其跟固體電解質(zhì)之間的粘合劑。這意味著當(dāng)電池充電時，鋰金屬的波動尺寸完全包含在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其外部尺寸則保持不變。

團隊得到的研究結(jié)果是電池正極的化學(xué)性和機械性在充放電過程中表現(xiàn)穩(wěn)定，而鋰也不會跟固體電解質(zhì)失去電接觸。對此，團隊認為這是其他實驗固態(tài)電池的重大進步，因為通常情況下固態(tài)電池需要混合某種液體電解質(zhì)才能工作。

據(jù)悉，團隊對這種固態(tài)電池結(jié)構(gòu)進行了實驗，根據(jù)報告了解到，該種電池能夠承受100次充放電循環(huán)，在這個過程中沒有出現(xiàn)任何斷裂的跡象。未來，這項技術(shù)將可能會制造出重量約為當(dāng)前設(shè)計1/4但存儲容量相同的陽極。這一團隊表示，通過跟其他先進的陰極設(shè)計相結(jié)合，未來將可以生產(chǎn)出重量和尺寸跟現(xiàn)在相同但只需隔三天充一次電的智能手機。