原创 新纳米结构使电池寿命大幅延长

就目前状况，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，这些高能效的锂离子电池都存在一个致命缺陷，那就是，在多次充电后便会失效。这种缺陷严重限制了电池在电动汽车和插入式混合动力汽车上的应用效果。因此，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。

不久之前，斯坦福大学的研究人员利用设计出的新纳米结构，极大地增加了锂离子电池的可充电次数。

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。
 
 
之前的研究报道表明，一般来说，普通锂硫电池可以充150次电。斯坦福的研究者给出了他们最新研究的电池的充电次数——1000次，据悉，即使充电1000次，这种电池仍旧能够保持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，硫和锂会结合形成硫化锂；当充电的时候，又会再次形成独立的硫。但在这个反应过程中也会形成许多其他的多硫化合物。如果这些多硫化合物流出电极之外，反应就无法循环完成，也就限制了电池可以储存的电量。经过几次充电循环以后，这些多硫化合物会积累起来，进一步降低电池容量。

研究人员发现，多种纳米结构可以将多硫化合物限制在电极里。但这些设计在锂硫电池中会遇到第二个问题：硫的膨胀会破坏纳米结构，让多硫化合物逃逸出来。

研究人员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合物，不让它们离开电极。随后溶解部分的硫，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。