纳米结构让电池寿命提升5倍

　　为什么重要？

 

　　电动汽车和插入式混合动力汽车需要更便宜、能量密度更高的电池来和传统汽车竞争。

 

　　能量小球：透射电子显微镜拍摄的氧化钛（浅色）和硫（深色）的纳米结构。

 

　　一些最有前途的电池成分理论上可以储存比现有锂离子电池多几倍的能量，价格却要低很多。但是它们都有一个致命的缺陷：充不了很多次电就会失效。这一缺陷让它们在包括电动汽车这样的应用上没有用处。现在，斯坦福的研究人员设计出新的纳米结构，还可以极大地增加可充电的次数，足以满足很多商业应用。

 

　　尽管之前的研究报道锂硫电池可以充150次电，斯坦福的研究者已经给他们的电池了充了1000次电，并保持了很大的能源储存容量。对某些电动车构型来说，这样的电池可以坚持用上几年。斯坦福大学材料科学和工程学教授崔屹说，这种电池的商业版本也许可以把锂离子电池的容量增加大约一倍。电池在500次循环后还有81%的容量，循环1000次以后还有67%的容量。崔屹表示用在这种电池中的纳米材料制造方法简单，可以进行大规模生产制造。

 

　　这种纳米结构解决了之前锂硫电池的两个问题。当锂硫电池放电的时候，硫会和会锂结合形成硫化锂；当电池放电的时候，硫又会再次形成。但这个反应并不是直接进行的。很多名为多硫化物（polysulfides）的中间化合物也会形成。如果这些多硫化物流出电极之外，反应就不能完成，也就限制了电池可以储存的电量。经过几次充电循环以后，这些中间产物会积累起来，进一步降低电池容量。

 

　　一些研究者发现很多纳米结构可以帮助把多硫化物限制在电极里。但这些设计在锂硫电池中会遇到第二个问题。硫会膨胀，破坏纳米结构，让多硫化物逃逸出来。

 

　　研究者首先造出球形硫纳米颗粒，并用氧化钛外壳包裹它们。氧化钛外壳的设计是为了固定住多硫化物，不让它们离开电极。研究者随后溶解了部分的硫，在外壳内部留出空间。这些空间可以让硫在膨胀的时候不破坏氧化钛外壳。

 

　　尽管这样的材料对某些应用来说已经足够好了，但是理想的电动汽车电池需要在多至3000次充电循环以后还有80%的容量，也就是说在汽车的使用寿命里可以每天充一次电。为此研究者正继续寻找增加充电次数和电池容量的方法。

 

　　研究团队把他们的结果发表在了Nature Communication杂志上。论文还讨论了锂金属电池的一些安全性问题。（崔屹正研发一种新的电池物质硫化锂，可以避免使用锂金属。）“现在仍有很多研究和优化工作需要做。”崔屹说。