美國阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLab) 的科學家們在高容量鋰離子電池的開發方面取得了新的進展，以滿足日益增長的電池消耗需求。

隨著道路上電動汽車數量的增加，人們越來越依賴消費電子產品，對高容量鋰離子電池或儲存大量電能的需求也在增加。

提高鋰離子電池總容量的一個方法是增加陽極或負極的能量容量。在過去幾十年里，最先進的鋰離子電池都是由石墨陽極制成的，石墨的能量容量是固定的，這意味著即使電池經歷了 1000 次充放電循環，它的容量也不會衰減，材料也不會破裂。然而，石墨的理論能量容量很低，無法滿足當今社會日益增長的能源需求。

在一項新的研究中，能源部阿貢國家實驗室（Department OF Energy‘s Argonne National Lab) 的研究人員領導的一個團隊展示了一種更高容量的負極材料。這種材料最初是為鈉離子電池開發的，商用鈉離子電池的使用頻率低于鋰離子電池。因此，該研究試圖將這種材料應用于鋰離子電池。

最近，有兩種材料成為新一代電池陽極研究的前沿 -- 硅和磷。理論上，硅和磷的能量容量至少是石墨的 10 倍，也就是說，它可以超過鋰離子電池的能量要求。阿貢國家實驗室的著名研究員和高級材料科學家哈利勒阿明（KhalilAmine) 說，硅存在兩個問題。一是在充電過程中，硅在鋰充電過程中膨脹得很大，這可能導致負極材料斷裂，導致電池能量損失。

第二個問題與初始庫侖效率（Ice) 有關。當電池完成一個完整的充放電循環時，理論上電池的充電輸出應與充電輸入相一致。然而，由于鋰與陽極材料反應，電荷輸出中的一些能量將丟失。為了開發實用的鋰離子電池，輸出電荷與輸入電荷的比例應大于 90%，即首次充放電循環庫侖效率應達到 90% 以上。然而，硅負極鋰離子電池庫侖效率低于 80%，使得這種電池不切實際。

因此，阿貢國家實驗室的研究人員研究了兩種磷：黑磷和紅磷。磷具有很高的能量容量，庫侖效率超過 90%，" 研究人員說。庫侖效率高于 90%，意味著陽極材料和電解液之間幾乎沒有副作用，鋰在電池的初始充放電循環中損失不大。

因此，研究小組獨立開發了主要由黑磷和導電碳化合物組成的陽極復合材料，其中黑磷是理論上的高容量導體。為了制造這種復合材料，研究人員還將大量磷和導電碳磨成微米大小的顆粒，以增加陽極的密度。

在測量電池的生命周期，即充電和放電的次數時，研究人員使用了阿貢國家實驗室先進光子源（APS) 和納米材料中心（CNM)，這兩個中心都隸屬于能源部科學用戶設施辦公室。利用 APS 場存儲環光源 X 射線衍射和 CNM 場掃描電子顯微鏡，研究小組可以觀察電池充電和放電時陽極相和體積的變化。

在驗證了黑磷復合材料的穩定性后，該團隊研制出了紅磷復合材料。盡管黑磷比紅磷具有更好的導電性，但它的市場應用成本太高。使用經濟型紅磷復合材料后，電池的穩定性與黑磷電池相似，而且具有較高的庫侖效率和較高的實際容量。

目前，該研究小組正在研制以紅磷為主要原料的復合材料，這種材料也顯示出了良好的效果。