锂离子电池革新了消费电子产品的面貌

苹果秋季发布会即将举行，在已爆料的各项信息中，电池容量最让人关注。iPhone12系列的电池容量全线缩水，引来吐槽不断，用户对新机续航的担忧不已。其实，不只是苹果，当前许多手机厂商都面临类似的问题。由于电池容量有限，要增强续航，就必须牺牲轻薄的握持感。一些厂商另辟蹊径，研发快充技术，用充电速度掩盖容量不足的尴尬，已经有厂商实现了120瓦快充量产。这一方法虽然可行，但手机的世纪续航时间并没有增加。目前，市场上使用的电池多为锂离子电池，其正/负极材料为锂金属或锂合金，使用非水电解质溶液。需要先说明的是，锂离子电池不同于锂电池，后者的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯。锂电池无须充电，直接可用，但是循环效能差，充电容易造成内部短路，安全隐患较大。早期电子产品中使用的扣式电池就是锂电池。美国化学家吉尔伯特・牛顿・路易斯（Gilbert Newton Lewis）最早提出了相关概念并加以研究。上个世纪70年代，被誉为“锂充电电池之父”斯坦利・惠廷厄姆（M.S.Whittingham）采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1982年美国伊利诺伊理工大学的阿加瓦尔（R.R.Agarwal）和塞尔曼（J.R.Selman）发现锂离子具有嵌入石墨的特性。这一发现意义重大，石墨一度成为电池中的重要组成部分。真正将锂离子电池推出商用市场的是索尼，该公司于1991年发布了首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。锂离子电池根据外形又可分成圆柱形、方形、纽扣形和薄膜锂离子电池。移动设备中所用的电池就是方形锂离子电池。锂离子电池结构一般包括正极、负极、隔膜和有机电解质，有的类型的锂离子电池还有金属外壳。正极：活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，正极使用的材料不同分为不同种类。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。负极：活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。隔膜：一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。有机电解液：是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。锂离子电池的工作原理也比较简单。在充电时，生成的锂离子从正极进入电解液，穿过隔膜上的小孔，流动到负极，与负极的电子结合在一起。放电时，电子从负极通过外部电路进入到达正极，同时，锂离子通过电解液，再次穿越隔膜进入正极。与镍镉、镍氢等其他材料的电池相比，锂离子电池的单位密度容量已经算大了。但是，由于使用设备的耗电量越来越大，人们逐渐发现电池不够用了。对更好电池的追求意味着对替代材料的探索，科学家们认为硅很有前途。用这种材料代替正极中的石墨成份，可以将电池的存储容量提高10倍。但是，由于硅本身的特点，其耐用性不及石墨，在电池充电和放电时，硅会膨胀、收缩并分裂成小块，最终导致正极的退化和电池失效。为了解决这一问题，科学家提出了一些措施，比如将硅制成海绵状的纳米纤维或纳米球。这种孔洞设计可以缓解硅在膨胀、收缩时的压力。近日，美国克莱姆森大学（Clemson University）的研究小组提出了新的解决方案。研究结果已发表在《应用材料与界面》（Applied Materials and Interfaces）期刊上。研究小组希望借助碳纳米管薄片来提高硅的可靠性。碳纳米管薄片又称为布巴克纸（Buck paper），拥有质量轻、硬度高等特性。与同体积的钢体相比，其质量仅为前者的十分之一;将巴克纸复合压紧，其硬度又比同等的钢铁硬500倍。巴克纸还具有导电性，散热性也不错，莱斯大学的科学家韦德・亚当斯（Wade Adams）评价这种材料的“这些特性就象是耶稣的圣杯一样重要。”这种材料已被用于飞机新一代隔热罩。这一新方案的结构类似三明治，最上层和最下层均是碳纳米管薄片，中间则为硅纳米离子。该论文的第一作者赛伦德拉・切鲁瓦（Shailendra Chiluwal）表示，“独立的碳纳米管薄片使硅纳米粒子保持相互电连接。”“这些纳米管形成了一种准三维结构，即使在500次循环后也能将硅纳米粒子固定在一起，并降低了纳米粒子断裂时产生的电阻。”通俗来说，碳纳米管薄片的导电性将硅纳米粒子连接起来，即使经过多次充放电循环，这些硅纳米离子不会因膨胀和收缩而断开连接。同时，使用碳纳米管薄片的妙处在于，由于硅纳米粒子被上下两层拨片夹住，就算频繁的充放电循环使得硅纳米离子断开连接，这些断裂的离子还是被紧紧锁在其中，并能继续发挥作用。研究团队表示，这一方案将使得电池具有更高的单位容量。此外，纳米管还能发挥缓冲的作用，使电池能够以当前迭代速度的四倍充电，有效提高充电速率。这项新方案如果落地，那么将在许多领域发挥作用。值得注意的是，这项研究的资助人是美国宇航局，因此，我们猜测该技术可能最先用于航天领域。
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