科学家发现新型铅基阳极 可用于新一代锂离子电池

锂离子电池一直被广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车等设备。但科学家们一直在寻找新的、更优化的组件，从而发明出性能更好的电池，拓展其应用领域。来自美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家们发表报告称，低成本材料铅和碳可用于锂离子电池的电极设计。该发明参与者还包括来自美国西北大学、布鲁克海文国家实验室和韩国蔚山国立科学技术研究院（UNIST）的科学家们。

阿贡国家实验室化学科学与工程（CSE）部材料科学家，以及该论文的主要作者Eungje Lee表示：“此项研究对于设计低成本、高性能、可持续发展的锂离子电池意义重大，可以为混合动力和纯电动汽车提供动力。”锂离子电池的工作原理是在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。目前的石墨阳极可进行数千次充放电循环，但在储能方面似乎已达到极限。

（图片来源： 阿贡国家实验室 ）

Lee表示：“我们决定使用铅替代石墨作为阳极材料。”铅储量丰富且廉价，因此一直备受瞩目。此外，作为汽车辅助电源，铅酸电池历史悠久，因此铅拥有完善的供应链，是世界上回收利用最多的材料之一。目前，铅在美国的回收率为99％。Lee还表示：“新型负极可以为当前铅酸电池制造和回收的大型企业增加新的收入来源。”

该阳极并非一块普通铅板，而是由无数个具有复杂结构的微观颗粒组成，即铅纳米颗粒嵌入碳基质中，被氧化铅薄壳包围。该结构听起来很复杂，但研究团队发明出一种简单、低成本的制造方法。项目主要研究人员兼阿尔贡CSE 部杰出研究员Christopher Johnson解释到：“采用的方法包括将大的氧化铅颗粒与碳粉混合并振荡数小时，从而形成具有所需核-壳结构的微观颗粒。”

在实验室中，研究人员共对铅基纳米复合阳极电池进行了100多次充电循环测试。结果显示，其储能能力是当前石墨阳极电池的两倍（重量相同情况下）。小粒径的颗粒可缓解压力，而碳基质又可提供所需的导电性，并充当缓冲剂，防止循环过程中破坏体积膨胀，因此该电池可在循环过程中实现性能稳定。研究小组还发现，向标准电解液中添加少量碳酸氟代亚乙酯同样可以显著提高性能。

通过同步加速器X射线衍射，研究人员可以跟踪负极材料在充电和放电时的相变。将该研究结果与西北大学原子与纳米表征中心和DOE布鲁克海文用户设施的同步加速器光源II的收集结果相结合，可以揭示在充电和放电过程中，铅和锂离子之间发生的未知电化学反应。

Lee表示：“这一发现将对理解铅和硅阳极的反应机理产生重要影响。”硅阳极是新一代锂离子电池的低成本、高性能选择。Johnson表示：“我们的发现不仅可以帮助理解这种电极材料，还为设计低成本、高性能阳极材料提供了积极意义。这种阳极材料可用于运输和固定式存能系统，如电网的备用电源。”