基于長期追求的目標，即使用純鋰金屬作為電池的兩個電極之一 - 陽極，麻省理工學院和其他地方的工程師的最新研究成果，可以使電池單位重量存儲更多的能量，并且使用壽命更長。

 

       新的電極概念來自李巨實驗室，李巨是麻省理工學院巴特爾能源聯盟核科學與工程學教授以及材料科學與工程學教授。論文的主要作者是麻省理工學院的Chen Yuming和Wang Ziqiang。小組成員還包括麻省理工學院以及中國香港、佛羅里達州和德克薩斯州的研究人員。

 

       李巨1994年畢業于中國科學技術大學少年班，2000年于MIT獲博士學位，其后在MIT從事博士后研究，2002-2007年任俄亥俄州立大學助理教授，2007-2011年任賓夕法尼亞大學副教授，2011年被MIT核科學與工程系及材料科學與工程系聯合聘為正教授。

 

       該設計是開發安全的全固態電池概念的一部分，該固態電池無需使用通常用作電池兩個電極之間的電解質材料的液體或聚合物凝膠。電解質使鋰離子在電池的充電和放電循環中來回運動，而全固態版本比液體電解質更安全，液體電解質具有很高的揮發性，通常是鋰電池爆炸的主要原因。

 

       李巨說：“在固態電池的金屬鋰電極和固體電解質方面，有很多工作要做，但這些努力面臨許多問題。”

 

       最大的問題之一是，當電池充電時，原子會在鋰金屬內部積聚，從而使其膨脹。然后，隨著電池的使用，金屬在放電過程中再次收縮。金屬尺寸的反復變化使固體很難保持恒定的接觸，并且容易導致固體電解質破裂或分離。

 

        另一個問題是，可能的固體電解質在與高反應性鋰金屬接觸時幾乎都沒有真正的化學穩定性，它們傾向于隨時間而降解。

電池設計

 

       克服這些問題的大多數嘗試都集中在設計對鋰金屬絕對穩定的固體電解質材料上，事實證明這是困難的。相反，李巨和他的團隊采用了一種不尋常的設計，該設計利用了另外兩類固體：“混合離子電子導體”（MIEC）和“電子和鋰離子絕緣體”（ELI）,這兩類固體與鋰接觸后在化學上是絕對穩定的。

 

       研究人員開發出了呈蜂窩狀的六邊形MIEC管陣列形式的三維納米結構，該結構部分注入了固態鋰金屬以形成電池的一個電極，但每根管內都留有多余的空間。當鋰在充電過程中膨脹時，即使它保持其固態晶體結構，也會像液體一樣流入管內部的空余空間。完全限制在蜂窩結構內部的這種流動可減輕由充電引起的膨脹的壓力，但不會改變電極的外部尺寸或電極與電解質之間的邊界。另一種材料ELI是MIEC壁和固體電解質層之間重要的粘合劑。

碳管和LiPON粘合劑

 

     “我們設計了這種像蜂窩一樣的三維電極結構。”李巨說。該結構的每個管子中的空隙都使鋰“向后蠕變”進入管子，“那樣，它不會積聚應力而使固體電解質破裂。” 這些管內的膨脹和收縮的鋰會進出，就像汽缸內的汽車活塞一樣。因為這些結構是按納米級尺寸建造的（管子的直徑約為100至300納米，高度為數十微米），所以結果就像是“一個擁有100億個活塞且以鋰金屬為工作液的發動機。”

鋰在碳管中“蠕變”

 

       由于這些蜂窩狀結構的壁是由化學穩定的MIEC制成的，因此鋰不會失去與材料的電接觸。因此，整個固體電池在其使用周期中可以保持機械和化學穩定性。該團隊已通過實驗證明了這一概念，使測試設備經過100次充放電循環，不會產生任何固體破裂。

充放電循環

 

       李巨說，盡管許多其他小組正在研究所謂的固體電池，但實際上，大多數系統在將某些液體電解質與固體電解質材料混合的情況下才能更好地工作。他說：“但就我們而言，它完全是固體。其中沒有任何液體或凝膠。”

 

       在相同的存儲容量下，新系統的安全陽極的重量可能僅為鋰離子電池中傳統陽極的四分之一。如果與其他輕型電極（陰極）的新概念結合使用，這項工作可能會大大減少鋰離子電池的總體重量。研究小組希望它能使手機每三天充電一次，而不會使手機變得更重或更笨。

 

       不含鎳和鈷的新陰極

 

       發表在《自然能源》雜志上的一篇論文中，由李巨領導的另一個小組描述了一個更輕的陰極的新概念。由麻省理工學院博士后Zhu Zhi和研究生Yu Daiwei共同撰寫。該材料將減少鎳和鈷的使用，鎳和鈷昂貴且有毒，可用于當今的陰極。新的陰極不僅僅依賴于電池循環中這些過渡金屬的容量貢獻。取而代之的是，它將更多地依賴于氧氣的氧化還原能力，氧氣更輕，并且更豐富。但在此過程中，氧離子變得更具流動性，這可能導致它們從陰極顆粒中逸出。研究人員使用熔融鹽進行高溫表面處理，在富含錳和鋰的金屬氧化物顆粒上形成了保護性表面層，因此，氧氣的損失量大大減少了。

 

       即使表面層非常薄，在一個400納米寬的顆粒上只有5到20納米厚，它仍可以為下面的材料提供良好的保護。李巨說，這幾乎完全消除了室溫下使用的電池中氧氣損失的破壞性作用。當前版本在給定重量下可存儲的能量至少提高了50％，循環穩定性更好。

 

       到目前為止，該團隊僅制造了小型實驗室規模的設備，但“我希望可以迅速擴大規模。” 所需的材料（大部分為錳）比其他系統使用的鎳或鈷便宜得多，因此這些陰極的成本可低至傳統陰極的五分之一。