采用新型高导电材料显著提高电池容量

这种新型橡胶粘合剂，可以粘住硅颗粒，保持高导电性，适应恶劣阳极环境，而且可以拉长收缩，因为阳极会膨胀缩小。

锂离子电池电极连在一起，采用一种新的高导电材料，就会具有更高的存储容量，这一进展最终可新增电动汽车的行程，延长智能手机电池的使用寿命，又不会新增它们的成本。不同于许多高容量电极，就是在过去几年开发的那些，这些电极制备时所采用的设备，都见于今天的电池厂。

电池粘结剂：这幅显微镜图像显示的硅电极，是充电前（左）和32次循环后。一种新的粘合剂使这些粒子紧密结合在一起。关键是一种有弹性、高导电性的高分子粘结剂，可用于结合硅、锡和其他材料，储存大量能量，但通常不稳定。劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）的研究人员精心设计了这种新的高分子粘结剂，并用它制成硅阳极，用于可充电锂离子电池，存储容量提高了30％，这是比较今天市场上的那些而言。它也更稳定，耐久，胜过以前开发的电极。

锂离子电池充电时，锂离子被吸到一个电极上，称为阳极。阳极可容纳的锂越多，电池可储存的能量就越多。硅是最有前途的一种阳极材料：它可存储的锂比石墨多10倍以上，用它制备的阳极，就用于今天市场上的锂离子电池。石墨吸收锂就像一块海绵，会保持形状，但硅更像一个气球，刘高（GaoLiu）说，他是伯克利实验室环境能源技术部研究员。

不过，因为硅阳极膨胀和收缩，改变体积达三或四倍，因为它们要充电和放电，这样，电池容量日久会退化。刘高说，经过几次充电和放电后，很快，这些硅颗粒就不再相互接触，这就意味着阳极不能导电。

有一个方法是针对这个问题，就是构建这些阳极要采用完全不同的方式，例如，培育毛茸茸的阵列状硅纳米线，可以弯曲，膨胀，四处移动，因为锂会进入和退出。正在对这种方法搞商业化的是阿姆普留斯公司（Amprius），这是一家新创公司，在加利福尼亚州（California）帕洛阿尔托（PaloAlto）。但是，培育纳米线要的新工艺，通常不用于电池制造。

今天的阳极制备，是要涂抹一种溶剂型浆料石墨颗粒，结合在一起时要用粘结剂，这是一个简单的工艺，可降低成本。伯克利实验室的研究人员认为，关键是，使这种新电池材料像硅相同有效，就要坚持这种制造工艺。这意味着，提出了一种橡胶粘合剂，可以粘住硅颗粒，保持高导电性，适应阳极恶劣环境，而且可以拉长收缩，因为阳极会膨胀缩小。

这种先进电池的大部分工作集中在这种活性材料上，但是我们已经把这些材料推到了极限，尤里高果奇（YuryGogotsi）说，他是德雷克塞尔大学（DrexelUniversity）材料科学与工程教授。现在，限制我们的就是粘合剂。

查阅硅电池粘合剂论文，刘高注意到，研究人员正在犯致命错误，例如，选择的聚合物失去了导电性，所在各种条件都见于阳极。他曾与理论化学家提出的一系列聚合物，电气性能都适合这项工作。一旦发现一种，他们就改变它，使它更具有粘性。一旦他们开发并表征了这种新型材料，他们就能制备硅阳极，使用传统工艺就行，而且可在电池中测试它们。

伯克利实验室小组的阳极已测试了650多个充电周期。它们保持的存储容量为每克1400毫安时，比传统阳极存储的300左右高多了。完整的电池包含这种阳极，可存储的总能量提高约30％以上，这是比较商用锂离子电池而言。通常情况下，电池容量每年提高约5％，刘高说。他说，他们测试粘结剂，已用过其它电池阳极，包括锡制成的电池，也有类似的潜力和问题，并认为它应该适用于任何此类材料。

这些电池的存储容量几乎同样好，就像那些制备时采用纯硅纳米线，不用粘结剂的，崔毅（YiCui）说，他是斯坦福大学（Stanford）材料科学与工程教授，也是阿姆普留斯公司联合创始人。这令人印象深刻，他说，因为考虑到粘结剂不存储任何锂。

刘高的小组目前正与3M公司的研究人员合作，进行这种阳极研究。3M正在扩大生产的硅基电池材料，根据设计，充电时不膨胀那么多，凯文爱博门（KevinEberman）说，他正在开发电池材料产品，就在明尼苏达州（Minnesota）圣保罗市（St.Paul）的3M电子公司（3MElectronics）。但是，为了使它们有效，好的粘合剂是关键。这家公司给伯克利实验室的小组供应了一些材料，进行测试。刘高说，伯克利小组已获得这些粘合剂的专利，并与少数几家公司商谈各种途径，进行商业化。