美国阿贡国家实验室（ArgonneNationalLab) 的科学家们在高容量锂离子电池的开发方面取得了新的进展，以满足日益增长的电池消耗需求。

随着道路上电动汽车数量的增加，人们越来越依赖消费电子产品，对高容量锂离子电池或储存大量电能的需求也在增加。

提高锂离子电池总容量的一个方法是增加阳极或负极的能量容量。在过去几十年里，最先进的锂离子电池都是由石墨阳极制成的，石墨的能量容量是固定的，这意味着即使电池经历了 1000 次充放电循环，它的容量也不会衰减，材料也不会破裂。然而，石墨的理论能量容量很低，无法满足当今社会日益增长的能源需求。

在一项新的研究中，能源部阿贡国家实验室（Department OF Energy‘s Argonne National Lab) 的研究人员领导的一个团队展示了一种更高容量的负极材料。这种材料最初是为钠离子电池开发的，商用钠离子电池的使用频率低于锂离子电池。因此，该研究试图将这种材料应用于锂离子电池。

最近，有两种材料成为新一代电池阳极研究的前沿 -- 硅和磷。理论上，硅和磷的能量容量至少是石墨的 10 倍，也就是说，它可以超过锂离子电池的能量要求。阿贡国家实验室的著名研究员和高级材料科学家哈利勒阿明（KhalilAmine) 说，硅存在两个问题。一是在充电过程中，硅在锂充电过程中膨胀得很大，这可能导致负极材料断裂，导致电池能量损失。

第二个问题与初始库仑效率（Ice) 有关。当电池完成一个完整的充放电循环时，理论上电池的充电输出应与充电输入相一致。然而，由于锂与阳极材料反应，电荷输出中的一些能量将丢失。为了开发实用的锂离子电池，输出电荷与输入电荷的比例应大于 90%，即首次充放电循环库仑效率应达到 90% 以上。然而，硅负极锂离子电池库仑效率低于 80%，使得这种电池不切实际。

因此，阿贡国家实验室的研究人员研究了两种磷：黑磷和红磷。磷具有很高的能量容量，库仑效率超过 90%，" 研究人员说。库仑效率高于 90%，意味着阳极材料和电解液之间几乎没有副作用，锂在电池的初始充放电循环中损失不大。

因此，研究小组独立开发了主要由黑磷和导电碳化合物组成的阳极复合材料，其中黑磷是理论上的高容量导体。为了制造这种复合材料，研究人员还将大量磷和导电碳磨成微米大小的颗粒，以增加阳极的密度。

在测量电池的生命周期，即充电和放电的次数时，研究人员使用了阿贡国家实验室先进光子源（APS) 和纳米材料中心（CNM)，这两个中心都隶属于能源部科学用户设施办公室。利用 APS 场存储环光源 X 射线衍射和 CNM 场扫描电子显微镜，研究小组可以观察电池充电和放电时阳极相和体积的变化。

在验证了黑磷复合材料的稳定性后，该团队研制出了红磷复合材料。尽管黑磷比红磷具有更好的导电性，但它的市场应用成本太高。使用经济型红磷复合材料后，电池的稳定性与黑磷电池相似，而且具有较高的库仑效率和较高的实际容量。

目前，该研究小组正在研制以红磷为主要原料的复合材料，这种材料也显示出了良好的效果。