美國工程師研發出可反復充電的鋰電電極 提高電池工作效率

可充電鋰電池是一項革命性技術，廣泛使用于從手機到汽車的方方面面。但是，鋰電池不能無限充電，在每次充放電循環中，電池中的材料都會膨脹開裂，逐漸降低存儲性能，直至失效。因此，對清新鋰、鈷和其他必要元素的需求不斷增長，給自然資源造成壓力。

據外媒報道，賓夕法尼亞大學的工程師們，希望使用非鋰金屬離子，設計一種可反復充電的電極，提高電池工作效率。據認為，鎂離子電池是一種很有前途的替代品，但是，能夠可逆存儲鎂的材料，更容易出現裂紋和其他問題。

該校研究人員找到一種處理方案，在鎂離子電池的負極中，加入熔點略高于室溫的金屬鎵。在每個充放電周期中，這些負極萌生融固化現象，可以“愈合”裂紋，避免出現膨脹，從而提升可充電電池的存儲能力。這項研究由賓大工學院材料科學與工程系教授EricDetsi，以及他試驗室的研究生LinWang和SamuelWelborn領導進行。試驗聲明，新型鎵基負極能夠分明延長鎂離子電池的壽命，而且不需要昂貴的納米材料。這些特性使鎂離子電池非常適合大規模使用，減輕鋰資源壓力。

Wang表示：“由于結合和釋放離子，大多數電極材料的體積會發生變化。固體-固體相變帶來的應力累積會破壞電池，使其發生裂解。”在室溫下，純鎵是一種具有延展性的銀色金屬，很容易被誤認為是鋁或鎳。這種材料的熔點為85華氏度，將其握在手中，體溫足以將一塊固體鎵轉變成類似水銀的液體。Welborn表示：“在我們的新研究中，材料不是從一種固體變成另一種固體，而是從原來的固體變成液體。因為不存在固體-固體相變應力，所以可以抑制裂解。”

在該研究中，在該研究中，起初鎵以固體形式出現與鎂構成合金，形成微米級顆粒。“為了用電子方式連接這些小顆粒，”Wang說，“我們把它們放入由碳纖維、炭黑和石墨烯組成的導電網狀物中，這些材料都用粘合劑粘在一起。”當鎂離子與鎵分離時，由于電池在略高于鎵熔點的溫度下工作，鎵就轉變為液態。Welborn稱：“因為被包裹在其他材料網狀物中，所以當鎵從固體變成液體時，不會像一般液體那樣四處流動。”

研究人員利用X射線檢查電池內部材料的晶體結構。他們發現，當電池充電時，離子回到負極，并重新形成固態的鎵鎂顆粒。緊要的是，在每個循環過程中，這些顆粒都能重新生成，所以不會出現裂紋，降低電池性能。研究人員開發的試驗電池，能夠承受超過1000次的充電循環，約莫是目前最先進的鎂離子電池的5倍。

Detsi稱：“很分明，我們需要電池替代技術。這樣做不是為了取代鋰，而是為了支持鋰資源。在這項研究中，電池所展現出的上千次循環，代表重大的進步。我們的夢想是，利用這種神奇的自愈行為，設計一種可以無休止充放電的電池。”

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