新技術提高鋰電池儲電量和充電率10倍

    儲電量和充電率是兩個主要的電池局限。儲電量受限於電荷密度，即電池的兩極能容納多少鋰離子。充電率則受限於鋰離子從電解液到達負極的速度。

    現有鋰電池的負極由碳基的石墨烯片層層堆積而成，一個鋰原子只能適配6個碳原子。為了增加儲電量，科學家曾嘗試利用矽代替碳，以使矽可以適配更多鋰，達到4個鋰原子對應1個矽原子。然而，矽會在充電過程中顯著擴展和縮小，從而引起充電容量的快速破裂和遺失。而石墨烯片的形狀也會制約電池的充電率，它們雖只有一個碳原子厚，但卻很長。由於鋰移動到石墨烯片中間需要耗費很長時間，離子「交通堵塞」的情況在石墨烯片的邊緣時有發生。

    現在，研究團隊結合兩種技術解決了上述問題。首先為了穩定矽以保持最大的充電容量，他們在石墨烯片之間加入矽簇，利用石墨烯片的彈性配合電池使用中矽原子數量的變化，使得大量鋰原子存儲於電極中。矽簇的添加可使能量密度更高，同時也能降低因矽擴展和縮小引發的充電容量損失，可謂兩全其美。

    研究小組還利用化學氧化過程在石墨烯片上製造了10納米至20納米微孔，稱之為「面缺陷」，因此鋰離子將會沿此捷逕到達負極，並通過與矽發生反應，存儲在負極。這將使電池的充電時間縮短10倍。

    論文主要作者哈羅德·H·孔（音譯）表示，新技術能使鋰離子電池的充電壽命延長10倍，即使在充電150次後，電池能效仍是現有鋰離子電池的5倍。這一技術有望在未來3至5年內進入市場。

    石墨烯問世不到十年，不僅幫助它的兩位發明人拿下諾貝爾獎，而且飛速進入各種應用領域，比如電池的電極。本次美國科學家嘗試成功的新工藝，大大改善了石墨烯的表現，幫助鋰離子電池這一早就應用於日常電器的關鍵部件，突破徘徊已久的能量密度瓶頸。這甚至預示著新一代的能量儲存系統——充電時間縮短十倍、儲能增加十倍，讓鋰電池向完美電源的理想又邁出一步。假如類似原理的新型電池能儘快安裝在汽車上，電動汽車走向市場的最大癥結或將迎刃而解。（轉自中國電池網）■