美国研发自愈阳极 可让电池在2000次充放电循环后保留90%容量

盖世汽车讯 应对气候变化的最大挑战之一便是能源存储。化石燃料可以自己存储能量，因为其能量被锁在自身的化学键中。但是，对于更具可持续性但是转瞬即逝的能量，如风能和太阳能，应该如何存储呢？据外媒报道，美国宾夕法尼亚州立大学（University of Pennsylvania）材料科学与工程系（MSE）助理教授Eric Detsi表示，答案就是用电池存储。

不过需要注意的是，目前还没有足够强大的电池来满足未来的能源需求。据国际能源署（International Energy Agency）的预测，到2030年，全球电池容量将需要增加六倍。

自愈阳极（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

在如今使用的大多数电池中，从闹钟等家用电器中的一次性碱性电池，再到混合动力汽车和电动汽车中的可充电锂离子电池，其电极（离子在其间流动）通常由金属氧化物或石墨等固体材料制成。不过，正如Detsi教授所指出的，电池的每次充放电都会让该材料受损，因为电极会膨胀和收缩，有时膨胀程度高达300%，这也是为什么即使是可充电电池也会渐渐丧失容量、最终失效的原因之一。

Detsi教授表示：“需要有一种能够存储大量锂、钠和锰的材料，以用于高性能电池。问题在于，电池材料可以存储的锂、钠或镁越多，其在充放电过程中的膨胀和收缩的程度越大，从而导致其体积发生巨大变化。”

包括2019年诺贝尔奖得主John Goodenough（锂离子电池之父之一）在内的一些科学家最近开始研发液体电极电池，此种电池在体积发生变化时不会破裂。但是液体电极会带来其他挑战，即难以安全制造以及难以使用像水球一样的电池。换句话说，仅打造体积更大的电池或者液体电池是行不通的，为了设计未来电池，研究人员们需要创造全新的材料。

此外，随着电池需求的增加，很多通常用于量产可充电电池中的元素，如锂和钴，正变得越来越昂贵，更不用说此类材料的开采还涉及到人权侵犯。

Detsi教授表示：“电网存储和电动汽车等新兴储能应用对高性能电池的需求促使我开始研究电池材料”。为此，其研究团队一直在研究主要由钠和镁制成的电池，因为地壳中钠和镁的储量最为丰富，因而此类材料也更便宜，道德风险也更低。更重要的是，钠和镁资源在美国储量丰富。例如，据美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的数据显示，全球68.8%的碳酸钠（纯碱）以及14.5%的氯化钠（盐）都存储在美国，此两种资源就是制造钠的原材料。

目前，Detsi教授团队正在采用此类金属研发可以在液态和固态之间进行转换的电极，以避免在充放电循环中损害电极。

Detsi教授表示：“当该材料处于固态时，电荷存储过程中发生巨大的体积变化会导致其开始退化。不过，当该材料从固态变成液态时，其会通过从体积变化引起的退化现象中恢复，从而‘治愈’自己。”

最开始，Detsi使用一个由五镓化二镁（Mg2Ga5）制成的阳极（充电时收集离子的电极）来证明该方法的可行性。Mg2Ga5是一种镁和镓的混合物，其中镓的熔点较低，因而使此种合金很容易从固态转变为液态。

2019年，Detsi实验室与MSE、机械工程和应用机械（MEAM）系以及生物工程系（BE）的Vivek Shenoy教授的实验室合作，一同展示了由Mg2Ga5制成的自愈型阳极可以承受1000次充放电循环。

Detsi教授表示：“在我们的研究之前，最先进的镁离子电池阳极的循环寿命只有200次。”换句话说，自愈型阳极的加入使镁离子电池的初始寿命增加了五倍。

今年早些时候，Detsi实验室进一步突破极限，采用了一种在室温下会熔化的镓铟阳极（制成了电池），可能为此类电极的商业化应用打开了大门。该实验中使用的阳极在经历了2000次充放电循环后，仍保留了91%的电池容量。举例而言，就是iPhone 15在经历了1000次的充放电循环后，仍保留了80%的电池容量。

为了推进该项目，Detsi教授与合作者，Lin Wang、最近刚刚毕业的博士生Alexander Ng以及博士后Roxana Family采用了X射线衍射、X射线散射、X射线光谱学和低温扫描电子显微镜等各种先进的成像技术，以更好地理解材料从固态向液态的转变过程。其中，低温扫描电子显微镜需要在不同阶段将液态金属阳极冻结，以更好地研究自愈过程。