研究人员称，他们在电池设计者们奋斗了几十年所想要达成的目标上迈出了巨大的一步：设计一种纯锂负极。所有的电池都有三个基本组成部分：用于提供电子的电解质，用于释放这些电子的负极，以及用于接收电子的正极。新设计的电池中纳米球层与蜂巢的形貌类似：它创造出一种柔韧、均一、反应惰性的薄膜，保护不稳定的锂，避免了那些使这项技术成为一项挑战的缺点。

各国工程师们竞相设计更小、更便宜、更有效率的可充放电池，来应对电力存储的需求，小到手持电子设备，大至电动汽车。

在一篇发表在《自然•纳米科技》的文章中，斯坦福大学的研究人员报道了他们在电池设计者们奋斗了几十年所想要达成的目标上迈出了巨大的一步——设计一种纯锂负极。

所有的电池都有三个基本组成部分：用于提供电子的电解质，用于释放这些电子的负极，以及用于接收电子的正极。

如今，我们说我们拥有锂电技术，但这句话只讲对了一半。我们拥有的是锂离子电池。锂是电解质，而不是负极。纯锂制备的电极将极大程度上提升电池效率、。

“在所有可被用于负极的材料中，锂是最有潜力的。有人称它为‘圣杯’。”材料科学与工程系教授崔屹说。他是研究团队的带头人。“它质量轻，具有最高的能量密度。你可以从单位体积和质量中获取更多能量，从而可以制备更轻、更小，但功率更大的电池。”

然而工程师们尝试了很久，并没有成功取得这座“圣杯”。

“锂在应用于负极材料上有着很大的挑战。很多工程师放弃了研究，但我们发现了一种方法来保护锂，解决了困扰已久的问题。”Guangyuan Zheng是崔屹组的博士研究生，该论文的第一作者。

除了Zheng之外，研究团队还包括朱棣文，美国前能源部部长，诺贝尔奖得主，最近重新在斯坦福大学担任教授职位。

“实际上，如果我们可以提高电池容量，比如至当今容量的四倍，形势将会变得非常让人振奋。你的手机电池寿命可能翻倍或变成三倍 ，一辆电动汽车充电后可以行使300 英里，仅需$25,000，与每加仑燃油行使40 英里的内燃机引擎相媲美。”朱棣文说。

工程上的挑战

在文章中，作者解释了他们如何克服锂所带来的困难。

大部分的锂离子电池，如那些你可以在你的智能机或混合动力汽车中看到的那种，其工作原理大致相同。关键组件包括一个正极，作为电池的阴极让电子流出，到达需要能量的设备中；和一个负极，电子经过回路后重新进入电池的入口。将两者分开的是电解质，是一种负载着带正电锂离子的固体或液体，让锂离子穿梭于正极负极之间。

在充电过程中，电解质中带正电的锂离子被吸引至带负电的负极，锂离子聚集于负极。目前，锂离子电池的负极通常由石墨或硅组成。

工程师们希望将锂用于负极，但目前他们还无法做到。这是因为锂离子在充电过程中聚集到负极时会发生膨胀。

所有负极材料，包括石墨与硅都在充电过程中发生些许膨胀，但程度都不如锂。研究人员称，锂相较别的材料，在充电过程中的的膨胀是“几乎接近无穷”的。锂的膨胀也不均匀，会导致外表面的凹凸与裂纹，正如气球表面的涂画在膨胀过程中所经历的那样。

这样产生的负极表面裂纹会让宝贵的锂离子流出，形成头发或青苔那样的丝状生长物，我们称之为枝晶。枝晶会将电池短路，缩短其寿命。

防止枝晶的生长是将锂作为电池负极的第一个挑战。

第二个工程上的挑战在于锂负极具有较高的化学活性，容易与电解质反应。它会耗尽电解质，缩短电池寿命。

此外还存在一个问题：负极与电解质接触时会产生热。锂电池，包括目前正在使用的，可能会发生过热至燃点，甚至发生爆炸，因此是一个严重的安全隐患。最近在特斯拉电动汽车和波音梦幻客机上发生的电池自燃事故，是锂离子电池技术所具有的挑战的典型案例。

制备纳米微球

为了解决这些问题，斯坦福大学的研究人员在锂电池负极上建立了相互连接的拱状碳结构作为保护层。研究团队称这层保护层为“纳米微球”。

斯坦福大学研究团队的纳米微球层与蜂巢的形貌类似：它创造出一种柔韧、均一、反应惰性的薄膜，保护不稳定的锂，避免了那些使这项技术成为一项挑战的缺点。这些碳纳米微球构成的壁仅20 纳米厚。将5000层依次叠在一起也不过人类一根头发丝的宽度。

“理想的锂离子电池金属负极保护层必须化学稳定，来避免与电解质之间的化学反应，同时也必须具有一定的机械强度来承受锂在充电过程中的膨胀”崔屹说。

斯坦福大学研发的纳米微球层正是如此。它由无定型碳构成，在化学上稳定；它具有较高的强度和柔性，可以随着锂负极正常充放电循环中的膨胀收缩而上下自由移动。

触手可及的理想

从技术上而言，纳米微球提高了电池的库伦效率——电池在放电过程中能从负极释放出的锂离子与充电过程中聚集至负极上的锂离子的量之比。一次离子释放与聚集的过程被称为一个循环。

通常，为了在商业上可行，电池的库伦效率必须达到99.9% 甚至更多，理想情况下在尽可能多的循环中维持同样水平。原先未受保护的金属锂负极达到了约96%的库伦效率，仅仅在100次循环中就衰减至50%，效果不尽如人意。斯坦福大学研究团队的新型金属锂负极在150次循环下依然能够维持99%的效率。

“在电池中，99%与96%的差别是巨大的。因此，虽然我们还没有达到99.9%的阈值，但我们已经接近了该值，相比前期的设计有了显著的提升”崔屹说。“在进行一些额外的工作和研发新的电解质体系后，我们相信我们可以实现实用稳定的金属锂负极，能够驱动下一代可充放电池。”