一项为期三个月的实验取得惊人成果
在加州大学欧文分校的一间实验室里，博士研究员 Mya Le Thai 反复为一种实验电极充电和放电，直到它达到 200,000 次循环。三个月后，研究人员没有发现容量或功率损失，也没有发现纳米线断裂。2016 年 4 月 20 日，这项研究发表于《ACS Energy Letters》，加州大学欧文分校当天公布了研究结果。
这种材料由金纳米线、二氧化锰涂层和一种类似有机玻璃的凝胶电解质组成。它的耐久性为一个棘手问题提供了可能的解决方案：有助于储存电能的微细导线，在反复使用时往往会开裂。
这项发现还引出了一个引人注目的说法：未来的笔记本电脑电池或许能用 400 年。这个数字是根据实验循环次数，按假设的使用频率换算成年数得出的。实际成果是，一种实验室电极在为期三个月的测试中经受住了 200,000 次循环。
这项纳米线研究成果公布近十年后，仍然停留在实验室概念验证阶段。Thai 后来获得博士学位，并转向电动交通工具电池研究。她的实验持续受到关注，因为它展示了一种让易损电池材料在反复使用中保持完好的可能途径。
薄薄的凝胶层如何改变实验
越南裔美国研究员 Thai 当时正在研究纳米线，她尝试在实验结构上添加一层薄薄的凝胶涂层。电极持续正常工作，测试循环次数先超过 10,000 次，几天后又达到 30,000 次。最终，测试达到了 200,000 次循环。
该研究的资深作者、时任加州大学欧文分校化学系主任的 Reginald Penner，在学校的2016 年 4 月公告中介绍了这一意外发现。
Mya 当时在尝试各种做法，她给整个结构涂上了一层非常薄的凝胶，然后开始进行循环测试，”Penner 说。“她发现，只要使用这种凝胶，就能让它循环数十万次，而且容量不会损失。
Penner 称这一结果令人惊讶，因为类似结构通常在 5,000 至 7,000 次循环后就会失效。以这些循环次数为参照，加州大学欧文分校电极的 200,000 次循环约为其 29 至 40 倍。这个比较体现的是与 Penner 所谈及结构相比的改进幅度。
意外之处在于凝胶处理取得了成功。要证实其价值，需要持续测试：Thai 连续数月对电极进行循环测试，检查其电气性能或物理结构是否退化。
纳米线为何需要保护
纳米线的直径只有人类头发的几千分之一。它们导电性良好，且相对于自身尺寸拥有较大的表面积，因此适合作为电极的构成材料。电极是电池中通过电化学反应储存和释放电荷的部分。
反复充电和放电会对这些结构造成应力。加州大学欧文分校解释说，在典型的锂离子电池中，纳米线在使用时可能会膨胀并变脆。随后可能出现裂纹，破坏电极有效工作所需的连续材料结构。
Thai 的实验结构包含三个主要部分：金纳米线构成核心，外层包裹二氧化锰，整个组件再覆盖一层凝胶电解质。电解质能让被称为离子的带电粒子在储能装置中移动。
研究人员提出，凝胶使金属氧化物塑化。通俗地说，它可能让涂层变得更柔韧，从而能够承受形变而不开裂。保持结构完整，有助于电极在反复循环中维持性能。
加州大学欧文分校报告称，经过三个月的测试，电极没有出现可检测到的容量或功率损失，也没有纳米线断裂。容量描述设备可以储存多少电荷；功率描述设备输送能量的速度。两者对实用电池都很重要。
性能数据意味着什么
据称，这项实验还实现了平均 94% 至 96% 的库仑效率。库仑效率是指放电时回收的电荷与充电时输入的电荷之比。效率为 94%，意味着每输入 100 个单位的电荷，大约能回收 94 个单位。
容量保持率和库仑效率描述的是性能的不同方面。容量保持率追踪电极可储存的电量是否会随着反复使用而下降。库仑效率则追踪循环过程中输入和输出的电荷。电极可能保持储电容量不变，但输出的电荷量少于输入量。
此前，斯坦福大学研究人员于 2007 年研制的一种纳米电池结构达到了 40,000 次循环。加州大学欧文分校的 200,000 次是这一数字的五倍，不过两种装置采用了不同的结构。因此，比较结果时需要考虑它们的设计和测试条件。
笔记本电脑的对比同样引人注目。与典型笔记本电脑电池通常被认为可循环 300 至 500 次相比，200,000 次约为其 400 至 667 倍。这些数字说明了实验为何令人振奋，但商业化仍需开发出一整块在容量、材料、安全性和制造成本方面都合适的电池。
400 年估算的由来
这个估算假设笔记本电脑每两年完成 1,000 次充电循环，即每年 500 次。用 200,000 次循环除以每年 500 次，得出 400 年。计算的每一步都很简单，但这个日历年限是根据实验室结果外推而来的。
Thai 的电极通过三个月的连续测试达到了这一循环次数。日常使用中的电池还会有一段时间处于部分充电状态，工作温度也会变化，并且必须与其他部件协同工作。成品还需要在用户实际会遇到的条件下进行测试。
实际目标是延长更换电池前的使用时间。对笔记本电脑用户来说，这可能意味着在电脑的整个有效使用期内，能更长时间使用同一块电池。对汽车制造商来说，这可能意味着储能系统在需要更换之前，能够承受更多次充电和行驶。
研究人员仍需弄清的问题
加州大学欧文分校在2016 年 5 月的后续报道中介绍了进一步研究二氧化锰涂层的工作。研究人员观察到凝胶阻止材料碎裂成块，但仍在研究材料本身发生了怎样的变化。
身为研究资深作者和化学系主任的 Penner 介绍了下一步科学研究的任务。
“Mya 现在正在开展一系列研究，试图更好地了解二氧化锰材料发生了什么。我们知道凝胶能防止它碎裂成块，但还不知道剩下的材料是否与不加凝胶时留下的材料不同，”Penner 说。
了解这一过程，对于重复验证结果并将方法应用于其他材料至关重要。如果研究人员能够确定凝胶和涂层的哪些特性保护了电极，就能更有针对性地设计可承受反复充电的结构。
这项工作与马里兰大学的纳米结构电能存储能源前沿研究中心协同开展。经费来自美国能源部基础能源科学司。
从金纳米线到实用电池
金的成本对大规模生产构成了问题。研究人员一直在探索更便宜的替代材料，包括镍，以期设计出更经济的方案。替换金属后，还需要检验新电极是否保留了原始结构的耐久性。
一块完整的商业电池必须兼顾较长的循环寿命、充足的储能能力、实用的功率、可靠的安全性和可负担的生产工艺。加州大学欧文分校的研究成果针对的是实验电极的一项特定弱点：反复循环造成的物理损伤。要将这一成功转化为产品，还必须同时满足其他要求。
加州大学欧文分校将电脑、智能手机、家用电器、汽车和航天器列为潜在应用领域。不同应用对电池的要求各不相同。手机需要紧凑的能源供应；车辆需要容量大、能够输送大量功率的系统；航天器则要求电池在严苛条件下可靠运行。
Thai 后来成为美国电池技术公司 Enevate 的首席科学家，致力于电动交通工具先进电池的研发。她还为其他发明申请了专利，其中包括旨在延缓电芯之间热扩散的技术。热扩散是指故障电芯产生的热量蔓延到附近电芯。
有关这项研究的报道中尚未公布金纳米线技术的商业上市日期。Thai 后来的职业经历表明，她继续参与电池研发，研究范围也涵盖了原始实验之外的耐久性和安全性挑战。
这项发现的关键节点
这项研究的历程包括此前的一项纳米电池成果、数月的实验室循环测试，以及加州大学欧文分校在 2016 年发布的两则公告。将这些节点放在一起，有助于了解这项发现的时间和范围。
- 2007 年：斯坦福大学研究人员研制的另一种纳米电池结构据报达到 40,000 次循环。
- 加州大学欧文分校实验期间：Thai 的凝胶涂层电极先后通过 10,000 次和 30,000 次循环，最终在三个月内达到 200,000 次。
- 2016 年 4 月 20 日：加州大学欧文分校公布研究结果，相关发现发表于《ACS Energy Letters》。
- 2016 年 5 月 16 日：加州大学欧文分校发布后续报道，介绍针对凝胶如何影响二氧化锰的持续研究。
- 获得博士学位后：Thai 加入工业界从事电池研究，后来成为 Enevate 的首席科学家。
Thai 从电极物理稳定性提高，以及制造耐用电池的可能性出发，介绍了这项成果。作为领导这项研究的博士研究员，她说：
经过涂层处理的电极能更好地保持形状，因此更加可靠，”Thai 说。“这项研究证明，基于纳米线的电池电极可以拥有较长的使用寿命，我们也能够让这类电池成为现实。
要点
- Mya Le Thai 在加州大学欧文分校研制的电极在三个月内完成 200,000 次循环，没有出现可检测到的容量或功率损失，也没有纳米线断裂。
- 这一设计结合了金纳米线、二氧化锰和凝胶电解质；研究人员认为，凝胶有助于防止材料开裂。
- 研究成果于 2016 年 4 月 20 日发表于《ACS Energy Letters》。
- 400 年的估算建立在每年循环 500 次的假设之上；实验室测试持续了三个月。
- 金的成本以及完整电池的各项要求，仍是商业化发展的关键问题。
- Thai 后来成为 Enevate 的首席科学家，致力于电动交通工具电池研发。
