半液态金属阳极，下一代电池的新范式学术资讯

卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种包含锂微粒的双导电聚合物/碳复合基质，可用于下一代电池的电极材料。

phys.org网站6月12日报道，最新一期的《焦耳》杂志发文称，美国卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种半液态锂金属阳极，这种阳极设计有望成为下一代电池的新范式。使用新型半液态电极的锂电池或可具备更高的容量，并且比传统锂电池更安全。

锂电池是现代电子产品中最常见的可充电电池之一。一般来讲，锂电池是由可燃液体电解质和阴、阳电极构成的，阳极和阴极之间由薄膜材料隔开。锂电池在经历反复的充/放电过程后，其电极表面会形成锂质“枝晶”。枝晶可能会穿透分隔电极的薄膜，造成阳极与阴极的接触，进而引发电池短路，严重情况下甚至会起火。

卡内基梅隆大学教授Krzysztof Matyjaszewski说：“理论上讲，将金属锂阳极与锂离子电池进行结合，有可能制造出比石墨阳极电池容量大得多的高容量电池。但是，我们首先需要确保的事情是安全。”有研究人员提出了用固体陶瓷电解质代替挥发性液体电解质的解决方案。固体陶瓷电解质不仅导电性很高、还具有良好的不燃性和足够强的抗枝晶性。然而，使用固体陶瓷电解质又出现了新的问题：陶瓷电解质和固体锂阳极之间的“弱接触”不足以储存和提供大多数电子产品所需的电量。

卡内基梅隆大学化学系的博士生Sipei Li和材料科学与工程系博士生Han Wang制造了一种半流体金属阳极新材料，攻克了这一难点。在Matyjaszewski教授和Jay Whitacre教授指导下，Li和Wang制造了一种包含均匀分布的锂微粒的双导电聚合物/碳复合基质。该基质在室温下具有流动性，这使得它与固体电解质保持了足够的接触性。通过将半液体金属阳极与石榴石基固体陶瓷电解质相结合，新电池的电流密度有望比传统固体电解质-锂箔电池高10倍。此外，新电池的寿命也比传统电池更长。Whitacre说：“具备流动性的金属锂电池阳极的安全性和综合性能非常吸引人。这种新电极材料可能会显著改善锂基可充电电池的性能。目前，我们正在努力研究如何利用新材料在更多电池结构中实现这一目标。”

研究人员认为他们的成果会对电池行业产生深远影响。例如，它可以用于电动汽车的高容量电池、可穿戴设备使用的专用柔性电池等。此外，他们还认为新材料可以拓展到锂电池以外的其他可充电电池系统（钠金属电池和钾金属电池），并有用于电网规模的能源储存技术的可能性。

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编译：雷鑫宇

责编：唐林芳

期刊来源：《焦耳》

期刊编号：2542-4351

原文链接：

https://phys.org/news/2019-06-semi-liquid-metal-anode-next-generation-batteries.html