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更稳定的三层电极，更大的锂电池容量
随着锂离子电池技术的发展，电池在能量密度、成本、安全性等方面的研究均取得了许多重要突破。为了进一步提升电池的容量，研究者更多的选用粒径小、比表面积高、多功能结构的活性电极材料（如Si、Sn等）来代替现在成熟的石墨负极。由于这些材料比容量更高、体积膨胀也更大，导致了电池初次化成形成固体电解质界面（solid electrolyte interphase，SEI）[注]时消耗的锂离子更多，首次比容量损失（Initial Capacity Loss，ICL）增加。石墨负极首效损失一般在10%，硅电极更是在20%左右。为了补偿初始比容量的损耗，研究者们想出了预锂化（prelithiation）的方法，即在电极中提前加入某些富锂材料。当然，这种方法还存在很多问题，其中最主要的是这类材料大多对环境（氧气、水）敏感，制造过程需要严格干燥条件（相对湿度小于1%），故而大幅增加了电池的制造成本。
近日，哥伦比亚大学材料科学与工程学院的杨远（Yuan Yang）博士（点击查看介绍）课题组在Nano Letters杂志上发表了一种提高锂离子电池能量密度的新方法。研究者们开发了“活性材料/聚合物/金属锂”三层负极结构，该电极能在空气环境中保持稳定，因而使得电池的电量更加持久，制造成本进一步降低。该论文第一作者为Zeyuan Cao博士。（Ambient-Air Stable Lithiated Anode for Rechargeable Li-Ion Batteries with High Energy Density. Nano Letters, 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03655）
Graphite/PMMA/Li三层电极（左）在电解液中浸泡24小时后（右），锂和石墨反应，看上去由黑色变成了金色。照片来源：Yuan Yang/Columbia University
杨远博士北大本科毕业之后，在斯坦福跟随崔屹教授攻读博士，小编找到一张当年他发明“透明锂离子电池”（PNAS, 2011, 108, 13013-13018）时的照片。昔日帅气的学生，现在已经成为哥大的助理教授啦~~
杨远博士。照片来源：FullIssue
对于三层电极的设计，杨远博士等人首先在一个铜箔上沉积锂涂层，随后通过一层“PMMA”（即聚甲基丙烯酸甲酯，常见的有机玻璃材料）将其与空气和水分隔离。然后，再将负极活性材料（例如石墨或硅）沉积在聚合物上，三层电极结构“活性材料/聚合物/金属锂”构建完成。最后，使用该电极组装成锂电池时，PMMA聚合物层将会溶解在电解液中，活泼的金属锂与负极活性材料接触，实现了预锂化的作用。
三层电极的设计方案。图片来源：Nano Letters
该方法可以避免不稳定的锂和空气接触，PMMA对富锂材料的保护作用非常明显。电极在相对湿度为10-30%的空气中可以稳定放置60分钟以上，容易实现电池电极的量产。
三层电极和普通电极在30%相对湿度环境中放置。图片来源：Nano Letters
实验表明，在相对湿度分别为10%和30%的空气中放置60min和30min后，该电极的容量几乎没有下降，循环30次后的容量也可以保持在99.62和99.71%，几乎可以完全媲美对照试验中的石墨电极（99.77%）。并且如果将三层中的石墨换成硅电极，该方法也同样适用。
电化学性能。图片来源：Nano Letters
杨远博士等人的这一新方法，有希望将锂离子电池的能量密度提高10-30%。他们目前正在尝试减少聚合物保护层的厚度，以希望进一步减小体积，从而更有利于这项技术的产业化。
注：固体电解质界面膜，是液态锂离子首次充放电过程中，电极材料与电解液在固、液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，称为固体电解质界面膜，简称SEI膜。一方面，SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电的不可逆容量增加；另一方面，SEI在有机电解液中稳定存在，可以有效防止溶剂分子对电极材料造成破坏，大大提高了电极的循环性能和使用寿命。
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03655
导师介绍
杨远：http://www.x-mol.com/university/faculty/26742
（本文由小希供稿）