全新固态电池具有2倍传统电池的能量且无阳极

一种新的全固态锂电池不仅可以储存几乎是标准锂离子电池两倍的能量，而且它也不容易像现在的商业电池那样起火。该原型成功的背后的秘密是什么？在一项新的研究中去掉了一个电池常用的电极。

传统的电池通过两个电极之间的化学反应供电——带负电的阳极和带正电的阴极，带负电阳极的电子从电池中流出，带正电阴极的电子可以进入电池。典型的锂离子电池的电极是由其结构可以储存和释放带电锂离子的物质制成的。阳极通常由石墨组成，而阴极通常是金属氧化物。这些电极材料被涂覆在金属箔上，金属箔收集阳极产生的电流，这种金属通常是铜，阴极是铝。

锂离子电池中的电极通常通过液体或凝胶电解质相互作用。全固态电池转而采用由陶瓷等材料制成的固体电解质。

固体电解质比液体或凝胶电解质更紧凑。这意味着，在相同的重量或空间下，所有固态电池都可以比传统电池产生更多的能量。此外，全固态锂电池比使用通常易燃的有机液体电解质的传统锂电池安全得多。

至于制造稳定、有用的全固态电池的最佳方法，仍有很多不确定因素。例如，之前的研究发现，硫化物基固体电解质可以帮助制造可以储存大量能量的电池。然而，这些电解质中的硫化物可以与两个电极反应，产生阻碍电池内电流的化合物。

科学家们试图改进全固态电池的一种方法是用铜箔集电器代替传统的石墨阳极。这一策略可以显著提高这些电池的能量。这项研究的资深作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的材料科学家David Mitlin说：“实际上，你正在消除电池一半的内部材料，”他补充道，“使用更少的材料也降低了成本。”

然而，研究无阳极全固态电池所面临的一个关键挑战是，它们要以稳定的方式经历放电和再充电循环。现在，在一项新的研究中，研究人员表明一种新的涂层可能会克服这个问题。

科学家们用硫化物基固体电解质进行了无阳极全固态电池的实验。他们探索在其铜集电器上涂上超薄的锂活化碲。其目的是控制锂金属在铜上扩散或“润湿”铜的方式。他们发现这种新的涂层有助于锂金属在铜集电器上沉积和溶解成一层均匀的薄层。

在没有这种新涂层的情况下，研究人员发现铜箔在充电和放电过程中会被不规则的微观结构覆盖。Mitlin说，其中包括尖锐的枝晶，它们“可以而且将导致阳极和阴极之间的电池短路，进而导致电池起火”。它们还包括阻碍电池性能的“死金属”块和蜂窝状材料外壳。他说：“这就像发动机内部覆盖了一层厚厚的铁锈。”

与商用锂离子电池相比，这种新型电池可以多容纳72%的重量能量和95%的体积能量。研究人员指出，他们可以使用标准制造技术在这些铜集电器上生产新的涂层。他们补充道，这可能有助于直接扩大这些新电池的生产。

Mitlin说：“这些发现可能为无阳极和全固态电池的大规模商业化提供了关键的缺失环节。”

尽管如此，Mitlin警告说，尽管这项研究可能解决了无阳极全固态锂电池的一个关键问题，但要真正将其推向市场，还需要大量的开发。他说：“要使无阳极全固态锂电池从实验室规模发展到原型规模，更不用说汽车规模了，还需要进行大量的工作。”

审核编辑：刘清