磁性粒子「犧牲」，電池容量提升

近日，麻省理工學院的Y.-M. Chiang課題組在Nature Energy雜誌發表文章，利用外加磁場實現電極材料中負責運輸電荷孔道的有序排列，使得鋰離子電池（鋰電）的面積比容量提高了3倍之多，這一成果有望應用在蓬勃興起的電動汽車領域。（High-performance battery electrodes via magnetic templating.Nature Energy,2016, 1, 16099, DOI: 10.1038/nenergy.2016.99）

鋰電困境一：增加電極壓實密度和厚度，提高電池容量的方法受到嚴重製約，因為「厚材料」（高密度電極）導致電極浸潤性變差，電荷運輸受阻。

我們不怕：孔隙的有序排列可以提高材料，尤其是高密度電極的電荷運輸效率，使得高密度電極能夠更好地發揮出其高容量的性能。

鋰電困境二：增加材料孔隙率，提高電荷運輸效率的方法存在問題，影響材料的導電性和循環穩定性能。

我們不怕：孔隙的有序排列可以減少孔道的彎曲和扭轉，降低電極材料的彎曲度。彎曲度的降低可以提高材料的導電性，提升電極的電性能。

圖片來源：Nature Energy

那麼問題來了，怎麼才能使得本來就是顆粒狀的鈷酸鋰（LCO）整齊排列，形成有序的孔隙呢？科學家們研究了兩種方法，分別向鈷酸鋰的懸濁液中加入磁性尼龍線和磁性乳液顆粒，在外加磁場的作用下，這些磁性粒子有序排列。當這些粒子位置固定以後，通過蒸發溶劑和燒結，這些磁性粒子「光榮犧牲」，留下具有有序孔道的固體LCO正極。

用這種方法製備的LCO電極性能優異，與傳統多孔LCO電極相比，高倍率放電（2C）容量可以提高到原來的三倍，而且更加符合電動汽車的驅動循環特性。因此，利用外部磁場排列電極材料中的孔道的方法不但成本低，還可以提升高能量密度的厚電極電池的高倍率電性能，為電動汽車的電池製備提供了一個新的工藝方法。

圖片來源：Nature Energy

有趣的是，這篇文章發表的一周以前，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的André R. Studart課題組同樣是在Nature Energy雜誌發表文章，在磁場作用下，負載少量磁性Fe3O4納米顆粒的石墨片層有序排列，縮短了鋰離子的擴散距離，提高了鋰電池的倍率性能（點擊閱讀相關）。

不過，兩篇文章一篇研究鈷酸鋰正極中的孔隙在磁場中的有序排列，一篇研究石墨負極在磁場中的有序排列，使用的製備方法也迥然不同。要是遠在瑞士和美國的這兩個課題組合作，將這兩極組合成全電池，不知電池的高倍率放電性能是否會有一個更加顯著的提高呢？

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