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世界各地的工程师一直在竞相设计更高效的电池 ， 以满足手机、电脑和电动车等各种日常生活用品的电力存储需求 。 近期 ， 中科大研究团队提出了一种电池阳极新技术 ， 让如今只存在于电解质中的锂用在阳极上 ， 纯锂阳极提升了电池性能 ， 研发成功的实验电池只需充电6分钟就达到了60%电量 ， 比如一台续航500公里的车 ， 充电6分钟就可以续航300公里 ， 这项技术到底如何实现？下面我们来详细分析 。
纯锂阳极是什么？
在可能用于阳极的所有材料中 ， 锂具有最大的潜力 ， 根据化学专家的说法 ， 锂非常轻巧 ， 并且具有最高的能量密度 ， 在相同的单位体积内 ， 纯锂阳极的电池更轻、容量更大 。 但锂面临的重大挑战使其在阳极中的应用变得困难 。
大多数锂离子电池 ， 如手机或电动车的电池 ， 工作方式类似 。 关键部件包括阳极和阴极 ， 将它们分开的被称为电解质 ， 电解质是一种负载有正电锂离子的固体或液体 ， 基本原理是锂离子在阳极和阴极之间移动 ， 电子从电池阳极流出并进入耗电设备的负极 ， 电子通过电路后重新进入电池的阴极 ， 形成循环放电 。
在充电过程中 ， 电解液中带正电的锂离子被带负电的阳极吸引 ， 锂在阳极上积累 。 现在我们实用的锂离子电池 ， 阳极实际上是由石墨、硅或者铝制成的 ， 纯锂阳极的成功研发是一个重大突破 ， 这是因为纯锂阳极一直存在问题 。
纯锂阳极的研发难点是什么？
这是因为锂离子在充电过程中聚集在阳极上时会膨胀 。 所有负极材料 ， 包括石墨和硅 ， 在充电过程中都会有些膨胀 ， 但不像锂 ， 相对于其他材料 ， 锂在充电过程中的膨胀“几乎是无限的” 。 它的膨胀也是不均匀的 ， 导致外表面形成凹坑和裂缝 ， 就像给一个气球涂上油漆 ， 接着充气 ， 气球外部的油漆会无规则破裂 。
阳极表面产生的裂缝使宝贵的锂离子逸出 ， 形成毛发状或苔藓状生长物 ， 称为枝晶 。 反过来 ， 枝晶会使电池短路并缩短其寿命 。
防止这种堆积是使用锂作为电池阳极的第一个挑战 。 第二个工程挑战涉及找到一种方法来处理锂阳极与电解质之间的高度化学反应 ， 这种反应会耗尽电解液并缩短电池寿命 。 此外 ， 纯锂阳极和电解质接触时会产生热量 。 锂电池如果过热到一定的程度 ， 就会起火 ， 甚至爆炸 。 因此这是一个严重的安全问题 。
中科大研究团队的解决方案
为了解决这些问题 ， 中科大研究团队在锂阳极上建造了一层相互连接的碳穹顶保护层 ， 也被称为纳米球保护层 。 结构类似于蜂窝 ， 形成了一种灵活、均匀且非反应性的薄膜 ， 可以保护不稳定的锂 。 碳纳米球保护层只有 20 纳米厚 ， 需要 5000 层 ， 一层一层地堆叠起来 ， 才能达到一根人类头发的宽度 ， 因此研发成功并不容易 。
理想的锂金属阳极保护层需要具有化学稳定性 ， 以防止与电解液发生化学反应 ， 并且机械强度高 ， 以承受充电过程中锂的膨胀 ， 纳米球层由无定形碳制成 ， 化学性质稳定 ， 坚固且柔韧 ， 可在电池正常充放电循环期间随着锂的膨胀和收缩自由上下移动 。
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