基于长期追求的目标，即使用纯锂金属作为电池的两个电极之一 - 阳极，麻省理工学院和其他地方的工程师的最新研究成果，可以使电池单位重量存储更多的能量，并且使用寿命更长。

 

       新的电极概念来自李巨实验室，李巨是麻省理工学院巴特尔能源联盟核科学与工程学教授以及材料科学与工程学教授。论文的主要作者是麻省理工学院的Chen Yuming和Wang Ziqiang。小组成员还包括麻省理工学院以及中国香港、佛罗里达州和德克萨斯州的研究人员。

 

       李巨1994年毕业于中国科学技术大学少年班，2000年于MIT获博士学位，其后在MIT从事博士后研究，2002-2007年任俄亥俄州立大学助理教授，2007-2011年任宾夕法尼亚大学副教授，2011年被MIT核科学与工程系及材料科学与工程系联合聘为正教授。

 

       该设计是开发安全的全固态电池概念的一部分，该固态电池无需使用通常用作电池两个电极之间的电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质使锂离子在电池的充电和放电循环中来回运动，而全固态版本比液体电解质更安全，液体电解质具有很高的挥发性，通常是锂电池爆炸的主要原因。

 

       李巨说：“在固态电池的金属锂电极和固体电解质方面，有很多工作要做，但这些努力面临许多问题。”

 

       最大的问题之一是，当电池充电时，原子会在锂金属内部积聚，从而使其膨胀。然后，随着电池的使用，金属在放电过程中再次收缩。金属尺寸的反复变化使固体很难保持恒定的接触，并且容易导致固体电解质破裂或分离。

 

        另一个问题是，可能的固体电解质在与高反应性锂金属接触时几乎都没有真正的化学稳定性，它们倾向于随时间而降解。

电池设计

 

       克服这些问题的大多数尝试都集中在设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料上，事实证明这是困难的。相反，李巨和他的团队采用了一种不寻常的设计，该设计利用了另外两类固体：“混合离子电子导体”（MIEC）和“电子和锂离子绝缘体”（ELI）,这两类固体与锂接触后在化学上是绝对稳定的。

 

       研究人员开发出了呈蜂窝状的六边形MIEC管阵列形式的三维纳米结构，该结构部分注入了固态锂金属以形成电池的一个电极，但每根管内都留有多余的空间。当锂在充电过程中膨胀时，即使它保持其固态晶体结构，也会像液体一样流入管内部的空余空间。完全限制在蜂窝结构内部的这种流动可减轻由充电引起的膨胀的压力，但不会改变电极的外部尺寸或电极与电解质之间的边界。另一种材料ELI是MIEC壁和固体电解质层之间重要的粘合剂。

碳管和LiPON粘合剂

 

     “我们设计了这种像蜂窝一样的三维电极结构。”李巨说。该结构的每个管子中的空隙都使锂“向后蠕变”进入管子，“那样，它不会积聚应力而使固体电解质破裂。” 这些管内的膨胀和收缩的锂会进出，就像汽缸内的汽车活塞一样。因为这些结构是按纳米级尺寸建造的（管子的直径约为100至300纳米，高度为数十微米），所以结果就像是“一个拥有100亿个活塞且以锂金属为工作液的发动机。”

锂在碳管中“蠕变”

 

       由于这些蜂窝状结构的壁是由化学稳定的MIEC制成的，因此锂不会失去与材料的电接触。因此，整个固体电池在其使用周期中可以保持机械和化学稳定性。该团队已通过实验证明了这一概念，使测试设备经过100次充放电循环，不会产生任何固体破裂。

充放电循环

 

       李巨说，尽管许多其他小组正在研究所谓的固体电池，但实际上，大多数系统在将某些液体电解质与固体电解质材料混合的情况下才能更好地工作。他说：“但就我们而言，它完全是固体。其中没有任何液体或凝胶。”

 

       在相同的存储容量下，新系统的安全阳极的重量可能仅为锂离子电池中传统阳极的四分之一。如果与其他轻型电极（阴极）的新概念结合使用，这项工作可能会大大减少锂离子电池的总体重量。研究小组希望它能使手机每三天充电一次，而不会使手机变得更重或更笨。

 

       不含镍和钴的新阴极

 

       发表在《自然能源》杂志上的一篇论文中，由李巨领导的另一个小组描述了一个更轻的阴极的新概念。由麻省理工学院博士后Zhu Zhi和研究生Yu Daiwei共同撰写。该材料将减少镍和钴的使用，镍和钴昂贵且有毒，可用于当今的阴极。新的阴极不仅仅依赖于电池循环中这些过渡金属的容量贡献。取而代之的是，它将更多地依赖于氧气的氧化还原能力，氧气更轻，并且更丰富。但在此过程中，氧离子变得更具流动性，这可能导致它们从阴极颗粒中逸出。研究人员使用熔融盐进行高温表面处理，在富含锰和锂的金属氧化物颗粒上形成了保护性表面层，因此，氧气的损失量大大减少了。

 

       即使表面层非常薄，在一个400纳米宽的颗粒上只有5到20纳米厚，它仍可以为下面的材料提供良好的保护。李巨说，这几乎完全消除了室温下使用的电池中氧气损失的破坏性作用。当前版本在给定重量下可存储的能量至少提高了50％，循环稳定性更好。

 

       到目前为止，该团队仅制造了小型实验室规模的设备，但“我希望可以迅速扩大规模。” 所需的材料（大部分为锰）比其他系统使用的镍或钴便宜得多，因此这些阴极的成本可低至传统阴极的五分之一。