鋰離子電池是否會帶來電子產(chǎn)業(yè)的新面貌

通常對于鋰離子電池而言，由于電池容量有限，要增強(qiáng)續(xù)航，就必須犧牲輕薄的握持感。一些廠商另辟蹊徑，研發(fā)快充技術(shù)，用充電速度掩蓋容量不足的尷尬，已經(jīng)有廠商實現(xiàn)了120瓦快充量產(chǎn)。這一方法雖然可行，但手機(jī)的世紀(jì)續(xù)航時間并沒有增加。

目前，市場上使用的電池多為鋰離子電池，其正/負(fù)極材料為鋰金屬或鋰合金，使用非水電解質(zhì)溶液。

需要先說明的是，鋰離子電池不同于鋰電池，后者的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯。鋰電池?zé)o須充電，直接可用，但是循環(huán)效能差，充電容易造成內(nèi)部短路，安全隱患較大。早期電子產(chǎn)品中使用的扣式電池就是鋰電池。

美國化學(xué)家吉爾伯特·牛頓·路易斯(Gilbert Newton Lewis)最早提出了相關(guān)概念并加以研究。

上個世紀(jì)70年代，被譽(yù)為“鋰充電電池之父”斯坦利·惠廷厄姆(M.S.Whittingham)采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰電池。1982年美國伊利諾伊理工大學(xué)的阿加瓦爾(R.R.Agarwal)和塞爾曼(J.R.Selman)發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，石墨一度成為電池中的重要組成部分。

真正將鋰離子電池推出商用市場的是索尼，該公司于1991年發(fā)布了首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。

鋰離子電池根據(jù)外形又可分成圓柱形、方形、紐扣形和薄膜鋰離子電池。移動設(shè)備中所用的電池就是方形鋰離子電池。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)一般包括正極、負(fù)極、隔膜和有機(jī)電解質(zhì)，有的類型的鋰離子電池還有金屬外殼。

正極：活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，正極使用的材料不同分為不同種類。導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

負(fù)極：活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

隔膜：一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

有機(jī)電解液：是電池中離子傳輸?shù)妮d體，一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成。電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。

鋰離子電池的工作原理也比較簡單。在充電時，生成的鋰離子從正極進(jìn)入電解液，穿過隔膜上的小孔，流動到負(fù)極，與負(fù)極的電子結(jié)合在一起。放電時，電子從負(fù)極通過外部電路進(jìn)入到達(dá)正極，同時，鋰離子通過電解液，再次穿越隔膜進(jìn)入正極。

與鎳鎘、鎳氫等其他材料的電池相比，鋰離子電池的單位密度容量已經(jīng)算大了。但是，由于使用設(shè)備的耗電量越來越大，人們逐漸發(fā)現(xiàn)電池不夠用了。

對更好電池的追求意味著對替代材料的探索，科學(xué)家們認(rèn)為硅很有前途。用這種材料代替正極中的石墨成份，可以將電池的存儲容量提高10倍。

但是，由于硅本身的特點，其耐用性不及石墨，在電池充電和放電時，硅會膨脹、收縮并分裂成小塊，最終導(dǎo)致正極的退化和電池失效。

為了解決這一問題，科學(xué)家提出了一些措施，比如將硅制成海綿狀的納米纖維或納米球。這種孔洞設(shè)計可以緩解硅在膨脹、收縮時的壓力。

近日，美國克萊姆森大學(xué)(Clemson University)的研究小組提出了新的解決方案。研究結(jié)果已發(fā)表在《應(yīng)用材料與界面》(Applied Materials and Interfaces)期刊上。

研究小組希望借助碳納米管薄片來提高硅的可靠性。碳納米管薄片又稱為布巴克紙(Buck paper)，擁有質(zhì)量輕、硬度高等特性。與同體積的鋼體相比，其質(zhì)量僅為前者的十分之一;將巴克紙復(fù)合壓緊，其硬度又比同等的鋼鐵硬500倍。

巴克紙還具有導(dǎo)電性，散熱性也不錯，萊斯大學(xué)的科學(xué)家韋德·亞當(dāng)斯(Wade Adams)評價這種材料的“這些特性就象是耶穌的圣杯一樣重要。”這種材料已被用于飛機(jī)新一代隔熱罩。

這一新方案的結(jié)構(gòu)類似三明治，最上層和最下層均是碳納米管薄片，中間則為硅納米離子。

該論文的第一作者賽倫德拉·切魯瓦(Shailendra Chiluwal)表示，“獨立的碳納米管薄片使硅納米粒子保持相互電連接?！薄斑@些納米管形成了一種準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，即使在500次循環(huán)后也能將硅納米粒子固定在一起，并降低了納米粒子斷裂時產(chǎn)生的電阻。”

通俗來說，碳納米管薄片的導(dǎo)電性將硅納米粒子連接起來，即使經(jīng)過多次充放電循環(huán)，這些硅納米離子不會因膨脹和收縮而斷開連接。

同時，使用碳納米管薄片的妙處在于，由于硅納米粒子被上下兩層撥片夾住，就算頻繁的充放電循環(huán)使得硅納米離子斷開連接，這些斷裂的離子還是被緊緊鎖在其中，并能繼續(xù)發(fā)揮作用。

研究團(tuán)隊表示，這一方案將使得電池具有更高的單位容量。此外，納米管還能發(fā)揮緩沖的作用，使電池能夠以當(dāng)前迭代速度的四倍充電，有效提高充電速率。這項新方案如果落地，那么將在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。