电池的功率正在不断提升。据外媒报道，由马克斯·普朗克（Max Planck）研究所所长Joachim Spatz领导的团队发现，用作电池电极接触材料的金属绒可以显著加速金属离子的电荷传输。这使得制造比目前标准电极厚度大得多的电极成为可能。这意味着可以节省大约一半的接触金属和其他对能量存储无贡献的材料，并使研究人员能够显著提高电池的能量密度。

图片来源： 期刊《ACS Nano》

马克斯·普朗克医学研究所（Max Planck Institute for Medical Research）的研究人员发现，这项技术如今可以显著提升电池的能量密度。该研究成果发表在期刊《ACS Nano》。

现状：能量密度与性能之间的妥协

“这背后的基础是我们在电极离子传输过程中发现的一种此前未知的机制，”Spatz说道。电池电极由接触材料和活性材料组成。接触材料——目前锂离子电池负极采用铜箔，正极采用铝箔——仅用于传输电流。

活性材料是实际的存储材料，在充电和放电过程中吸收和释放电荷。如今，电池制造商在负极使用石墨，在正极使用各种含锂的无机化合物。活性材料是多孔的，因此可以被液体电解质渗透。

虽然目前常用的活性材料能够吸收大量电荷，但它们的离子传导性却很差。离子必须穿过液体电解质才能进入活性材料。由于离子被包裹在电解质分子壳中，体积庞大，因此在电解质中移动缓慢，在活性材料内部也无法顺利前进。

这让电池制造商陷入两难境地：要么将电极做得很厚，以尽可能提高能量密度，但这会导致电池无法快速充放电；要么将电极做得非常薄，并接受能量密度下降的现实，以实现快速充放电。在这两种特性之间做出妥协后，如今的电池制造商最终生产的电极厚度约为十分之一毫米。这大致相当于人类头发的直径。

新方法：加速离子在双电层中的传输

在这项研究中，海德堡团队展示了如何制造出比目前常规电极至少厚十倍的电极，并且仍能快速充放电。研究人员证明，锂离子在铜表面剥离分子壳，沉积在那里，并形成一个双电层，电子聚集在金属表面下方，这被称为亥姆霍兹层（Helmholtz layer）。

“利用专门开发的测量装置和理论计算，我们发现锂离子穿过亥姆霍兹层的速度大约是通过电解质的56倍，”Spatz说道。“因此，金属表面就像是金属离子的‘高速公路’。”

当金属离子在金属表面迁移速度如此之快时，建议在活性材料中穿插金属高速公路网络，以便离子传输。Spatz和他的团队正是这样做的。研究人员用厚度仅为百分之几毫米的金属线制成了绒状电极。然后，他们将活性材料嵌入金属绒状电极中。因此，他们所需的铜量仅为传统箔电极的一半。

即使电极厚度比现在的普通电极厚约十倍，锂离子仍然能够通过绒状电极快速地进出活性材料，足以满足电动汽车等应用的需求。对于绒状电极而言，其能量密度最高可比箔电极高出85%。

“通过二维层状结构为材料提供电荷绝对不高效，”Spatz说道，并指出自然界的例子：它通过三维血管网络为生物体提供电荷。“这正是我们技术的目标：建立一个三维电荷载体供应网络，用于高效地为电池充电和放电。”

然而，绒状电极不仅比箔状电极功率高得多，而且制造起来也更容易、更便宜。这是因为在当今电池的生产中，制造商必须通过复杂的工艺将薄层活性材料涂覆到接触箔上，有时还会使用有毒溶剂。相比之下，活性材料可以粉末形式引入绒状电极中。

“采用干式填充技术，我们大概可以节省30%到40%的生产成本，生产设施所需的空间也减少了三分之一，”Spatz说道。