近日，莱斯大学的研究人员们宣布了一种新型锂基可充电电池原型，其容量可达到当前锂离子电池的三倍。该技术有望成为锂金属电池的一项新进展，特别是解决掉了严重影响电池寿命、甚至造成短路起火爆炸危险的“树突”问题（由于锂沉积导致）。
莱斯大学的设计团队将锂保存在一种独特的阳极中，该阳极采用了新工艺，由石墨烯（graphene）与碳纳米管（carbon nanotubes）混合制成。该材料首创于2012年，其本质是一款3D碳表面，可为锂提供足够的存储空间。理论上，该阳极本身已达到锂金属的最大存储空间，可防止树突等有害积聚物的形成。
Lithium metal coats the hybrid graphene and carbon nanotube anode in a battery created at Rice University. The lithium metal coats the three-dimensional structure of the anode and avoids forming dendrites. Courtesy of the Tour Group
据研究人员透露，树突等锂离子积聚物将渗入电池的电解质。若树突造成阳极与阴极接触，将导致短路，电池降可能因此而报废。更有甚者，该电池将因此而起火或爆炸。 莱斯大学的化学家James Tour负责主导该研究项目，据他发现，当新电池充电后，锂金属表面将覆有一层均匀的碳混合物（highly conductive carbon hybrid），该物质导电性强，碳纳米管与石墨烯表面紧密粘合。据美国化学学会期刊《美国化学学会纳米技术（ACS Nano）》报道，出于安全性及电量考虑，该类混合物已替代了商用锂电池中的石墨阳极。
“锂离子电池改变了世界，这是毫无疑问的，”Tour说，“但是它们很难变得更好。直到新技术的出现之前，你的手机的电池持续使用时间不会太长，。“ Tour表示，新款阳极的碳纳米管簇（nanotube forest）密度低，表面积大，有足够的空间来安置电池充放电时游动的锂离子颗粒。锂金属分布均匀，电解质内带电锂离子将扩散开来，抑制树突的增生。
他表示，尽管电池样品的电量因阴极而受限，其阳极材料的锂离子储能已达到3351毫安/克，已接近其最大理论值，是锂离子电池的锂离子储能的10倍。由于碳纳米管毯绒（nanotube carpet）密度低，其锂离子涂层将分布在基材上，确保空间利用率最大。
An electron microscope image shows a carbon nanotube evenly coated with lithium metal. Tests on the graphene-carbon nanotube anode created at Rice University show it resists the formation of lithium dendrites that can damage batteries. Courtesy of the Tour Group
为测试该阳极，莱斯大学实验室采用硫基阴极及电解质，打造了全套电池。据称，该硫基阴极在充放电500多次后，其容量保持率高达80%左右。该团队采用了电子显微镜观察了阳极的影像，该电极经多次测试后，其表面并无树突或毯绒结构，阳极表面依然平滑。用裸眼观察时，发现电池近四分之一的位置出现颜色发暗的情况，该处的锂金属已耗尽，被银所占据。
Tour表示：“许多人做电池研究，仅仅专注于阳极，因为针对整个电池的研究难度更大。我们为此研发了一项配套的硫基阴极技术，与第一代超高容量的锂金属阳极相配套。目前，研究团队正在重新生产这类电池、阴极及阳极，用于中试试验（pilot scale），上述材料正在测试中。”
美国海军研究实验室也刚迎来了锌基电池开发的一个里程碑，其较安全性较锂离子电池更高，但在充电问题上仍然不够实用。
A graphic shows carbon nanotubes covalently bonded to a graphene substrate. The material created is being tested as an anode for high-capacity lithium metal batteries. Picture credit: Tour Group
通过开发一种 3D“海绵”电极，研究人员有望规避这个问题，从而打造出既实惠、又安全、同时能够多次充电的一种电池。
实际上，许多金属电池，包括锂电池所面临的这个树突问题依旧无法得到彻底的解决，至少目前来说一切都是在实验室中的，并没有实际性的投放到市场中检验效果。
但不管怎么说，科学家似乎已经找到了开启解决锂电池等金属电池面临的这些问题的大门，诚然，不可否问的是未来智能手机、平板电脑这些终端设备不会再因为电池的续航能力为大家带来烦恼了，不过伴随着的，可能就是对充电宝、共享移动电源等产品市场的冲击，所以，未雨绸缪的时间到了。
From Rice University
Ref:
http://www.lwd3699.com/keji/727.html
http://www.cnbeta.com/articles/science/615473.htm
http://news.cnpowder.com.cn/42651.html
