宾大工程师设计可反复充电电极 缓解资源压力

图源：Penn官网

    可充电锂离子电池是一项革命性技术，广泛应用于从手机到汽车的方方面面。但是，锂离子电池不能无限充电，在每次充放电循环中，电池中的材料都会膨胀开裂，逐渐降低存储性能，直至失效。因此，对新鲜锂、钴和其他必要元素的需求不断增长，给自然资源造成压力。

    据外媒报道，宾夕法尼亚大学的工程师们，希望使用非锂金属离子，设计一种可反复充电的电极，提高电池工作效率。据认为，镁离子电池是一种很有前途的替代品，但是，能够可逆存储镁的材料，更容易出现裂纹和其他问题。

    该校研究人员找到一种解决方案，在镁离子电池的负极中，加入熔点略高于室温的金属镓。在每个充放电周期中，这些负极产生融固化现象，可以“愈合”裂纹，避免出现膨胀，从而提升可充电电池的存储能力。这项研究由宾大工学院材料科学与工程系教授Eric Detsi，以及他实验室的研究生Lin Wang和Samuel Welborn领导进行。实验表明，新型镓基负极能够明显延长镁离子电池的寿命，而且不需要昂贵的纳米材料。这些特性使镁离子电池非常适合大规模应用，减轻锂资源压力。

    Wang表示：“由于结合和释放离子，大多数电极材料的体积会发生变化。固体-固体相变带来的应力累积会破坏电池，使其发生裂解。”在室温下，纯镓是一种具有延展性的银色金属，很容易被误认为是铝或镍。这种材料的熔点为85华氏度，将其握在手中，体温足以将一块固体镓转变成类似水银的液体。Welborn表示：“在我们的新研究中，材料不是从一种固体变成另一种固体，而是从原来的固体变成液体。因为不存在固体-固体相变应力，所以可以抑制裂解。”

    在该研究中，在该研究中，起初镓以固体形式出现与镁构成合金，形成微米级颗粒。“为了用电子方式连接这些小颗粒，”Wang说，“我们把它们放入由碳纤维、炭黑和石墨烯组成的导电网状物中，这些材料都用粘合剂粘在一起。”当镁离子与镓分离时，由于电池在略高于镓熔点的温度下工作，镓就转变为液态。Welborn称：“因为被包裹在其他材料网状物中，所以当镓从固体变成液体时，不会像普通液体那样四处流动。”

    研究人员利用X射线检查电池内部材料的晶体结构。他们发现，当电池充电时，离子回到负极，并重新形成固态的镓镁颗粒。重要的是，在每个循环过程中，这些颗粒都能重新生成，所以不会出现裂纹，降低电池性能。研究人员开发的实验电池，能够承受超过1000次的充电循环，大约是目前最先进的镁离子电池的5倍。

    Detsi称：“很明显，我们需要电池替代技术。这样做不是为了取代锂，而是为了支持锂资源。在这项研究中，电池所展现出的上千次循环，代表重大的进步。我们的梦想是，利用这种独特的自愈行为，设计一种可以无休止充放电的电池。”