對于智能手機(jī)來說，目前最大的瓶頸就是鋰電池，不少科學(xué)家也都是在積極尋找新的解決方案。

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(jìn)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)。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。

發(fā)表在《Trendsinchemistry》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。該團(tuán)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(jìn)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。

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(tuán)隊表示，通過跟其他先進(jìn)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(jī)。

日本科學(xué)家用噴霧沉積法制備硅納米顆粒實現(xiàn)高容量全固態(tài)鋰電池

據(jù)外媒報道，一項由日本國立材料科學(xué)研究所（NIMS）研究人員進(jìn)行的新研究顯示，在固態(tài)電解質(zhì)中，用噴霧沉積法制備商業(yè)硅納米顆粒，然后僅用此種硅納米顆粒制成的硅陽極展示出優(yōu)異的電極性能，而此前只在用蒸發(fā)法制備薄膜電極才展示了如此優(yōu)異的性能。此種方法是一種極具成本效益的大氣技術(shù)，該研究結(jié)果表明，大規(guī)模且以低成本生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽極成為了可能。

（圖片來源：日本國立材料科學(xué)研究所）

理論上說，硅的容量約為4,200mAh/g，約為商用鋰離子電池中常用的陽極活性材料–石墨的11倍，用硅替代傳統(tǒng)的石墨可以極大地延長電動汽車的續(xù)航里程。不過，在鋰化和脫鋰（電池充放電過程）過程中，硅的體積會發(fā)生巨大變化（增大約3倍），從而阻止了其在電池中的實際應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)中，有必要采用聚合物粘合劑將電極中的活性物質(zhì)顆粒粘合在一起，并讓其能夠粘附在金屬集電流器上。硅的體積不斷發(fā)生巨大變化會導(dǎo)致顆粒脫離，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)的丟失，進(jìn)而導(dǎo)致容量不斷損失。在固態(tài)電池中，活性材料被置于兩個固態(tài)組件之間，即固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間。事實上，正如NIMS研究人員所說，濺鍍沉積的純硅薄膜的實際面積容量超過2.2mAh/cm2，在固態(tài)電解質(zhì)中顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高速率放電能力。盡管如此，在全固態(tài)鋰電池中實現(xiàn)低成本、可工業(yè)擴(kuò)展的合成陽極仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

NIMS研究團(tuán)隊已經(jīng)采用另一種合成法以實現(xiàn)高性能陽極，用于由商用硅納米顆粒制成的全固態(tài)鋰電池。研究人員發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池中的納米顆粒有一個獨(dú)特的現(xiàn)象：在鋰化后，在固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間的有限空間內(nèi)，納米顆粒的體積會膨脹、結(jié)構(gòu)被壓實、還會明顯聚積，與采用蒸發(fā)法制備的納米顆粒相似。所以，用噴霧沉積法制備納米顆粒，以用于陽極才會展示出優(yōu)異的電極性能，此前此種優(yōu)異性能只在濺鍍沉積法制成的薄膜電極中發(fā)現(xiàn)。噴霧沉積法是一種具成本效益的大氣技術(shù)，可實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。因此，此類發(fā)現(xiàn)可以為以低成本大規(guī)模生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽極鋪平道路。

為了滿足電動汽車的要求，NIMS的研究人員還在繼續(xù)努力，提升該陽極的循環(huán)能力。