美国研发适用于大容量高功率锂离子电池的新型纳米材料

美国伦斯勒理工学院研究人员研制出一种被称为“纳米勺（nanoscoop）”的新型纳米材料，用其制成的新一代高功率锂离子电池充电速度比现有电池快40倍以上，可满足电动汽车的电力需求。该材料具有独特的材料成分、结构与大小，可承受目前锂离子电池无法实现的超高速充放电。

研究证明，与传统电池阳极相比，该电池除了能量密度不相上下之外，其电极充放电速度比前者快40～60倍，其卓越的性能有助于设计和制造出大容量高功率锂离子充电电池。

研究人员表示，全电动汽车的电池需同时具备高能量密度与高功率密度。众所周知，锂离子电池具有高能量密度、低功率密度的特点，现有电动汽车采用高功率密度的超级电容器实现启动、快速加速等功能，传统高能量密度电池适用于巡航驾驶及其他操作。该新技术可将锂离子电池与超级电容器的优点整合到单个电池系统中。

锂离子电池阳极会随着电池充放电而膨胀和收缩。在充电时，锂离子的增加使阳极体积变大；在放电时情况相反。由此导致阳极内应力积聚，在电池高速充放电的情况下，如果应力积聚过快，会引起电池过早失效，因此目前大部分电子设备的电池充电速度较慢，低速充电模式也是专为保护电池不受应力损害而设计的。

该新型阳极材料由纳米结构阵列构成，每个纳米结构底部为非晶态碳纳米棒，中间是铝过渡层，并采用纳米硅作为盖顶。这样的三层结构设计使体积变化特性各有不同，因此所受应力自下而上呈递增趋势。该结构能快速吸收和释放锂离子，比现有锂离子电池实现更高的效率，同时不会对电池产生持续性损害，在高速充放电的情况下也能实现电极稳定运行。该自然应力递变有利于材料界面避免出现应力骤变，从而提高电极结构的完整度。

研究人员发现，当电流密度增至51.2 A/g（即充放电率达40C）时，在充放电循环超过100次后该电池阳极平均容量为412 mAh/g，输出功率达100 kW/kg。当电流密度为128 A/g时，在循环超过100次后其平均容量为90 mAh/g，而功率密度高达250 kW/kg。研究人员认为，在铝和硅中间添加锑（Sb）、砷（As）之类的材料有助于完善应力梯度，能在提高电极性能的同时增大其质量密度。

该技术有利于解决汽车制造商在增加电池功率密度的同时实现高能量密度的难题，将为大容量高功率锂离子充电电池设计赋予巨大潜力。