科學家開發出自我修復電極

王超觀察裝盛在器皿中具有自我修復能力的高分子材料

高分子材料的顯微圖：左側圖顯示材料出現裂痕，右側圖顯示材料裂痕被修復

　　在全球范圍內，研究人員正圍繞鋰離子電池進行著激烈的競爭，他們工作的目標是尋找到在鋰離子電池負極存儲更多電能的途徑，以便更進一步地提高鋰離子電池的性能，同時降低電池的重量。迄今為止，人們認為最具有發展前景的電極材料之一是硅。電池在充電時，硅材料電極擁有極強的從電池液中攝取鋰離子的能力；放電時，它能迅速地釋放存儲的鋰離子讓電池輸出電能。

　　但是，如此高性能的后面則是高昂的代價。每當電池充電時，硅電極的體積會膨脹至正常大小的3倍，放電后再恢復至原形。于是，具有脆性的硅材料很快就會出現裂痕并脫落，嚴重地影響電池的性能。對于高性能電池來說，電極的缺陷是它們普遍具有的問題。不過，鋰離子電池電極的問題有望在不久的將來得到解決，因為美國斯坦福大學和能源部科學家近日表示，他們首次研發出了能夠進行自我修復的電池電極，該研究成果為汽車、手機和其他設備制造下代鋰離子電池開辟了新的潛在可行的途徑。

　　斯坦福大學和能源部SLAC國家加速器實驗室聯合研究小組介紹說，自我修復電極采用已廣泛應用在半導體和太陽能電池行業的硅微粒材料制成，其核心是在電極表面覆蓋具有延展性的高分子涂層，該材料相互間緊密相連。電池在工作時，如果涂層出現微小裂痕，高分子材料能夠自我修復這些裂痕。相關的研究報告將發表在最新的《自然·化學》雜志上。

　　斯坦福大學博士后、文章作者之一王超(音譯)表示，動物和植物的自我修復能力對它們的生存和長壽十分重要，研究小組所希望的是將自我修復的特性在鋰離子電池中體現出來，以便電池具有更長的壽命。在斯坦福大學鮑振安(音譯)教授領導的實驗室中，王超開發出了自我修復的高分子材料。鮑教授的研究小組從事彈性電子皮膚材料的研究，該材料用于機器人、假肢等。清華大學研究人員吳輝(音譯)是文章的主要作者之一，他曾在斯坦福大學做博士后研究。

　　在電池項目上，研究人員將微小的碳納米粒子加入高分子材料中讓其導電。為獲得自我修復涂層材料，他們有意地采取措施，弱化了高分子內某些化學鍵，如此處理后的材料容易出現斷裂，但是斷裂端又能以化學方式相吸引，很快再次連接起來，如同DNA等生物分子實現組裝、重排和斷裂的過程。

　　研究顯示，自我修復電極在經過上百次充/放循環后，電能存儲能力沒有顯著的下降。鮑教授說，在電池電極具有自我修復高分子涂層后，由于高分子材料能在數小時內修復自身的微小裂痕，因此電池的壽命延長了10倍。SLAC國家加速器實驗室教授、與鮑教授共同領導研究的副教授崔毅(音譯)認為，現在電池儲能的能力已實現了實用范圍值，不過他們仍將繼續向更高的目標努力，因為上百次充/放電的數據離手機500次以及電動汽車3000次充/放電的目標還有相當大的差距。

　　崔毅和其他地方的研究人員一樣，為保持硅電極不變和改善它們的性能，對不同的方法進行了大量的研究。雖然有些研究成果得到了商業應用，但是這些方法中采用了有毒材料和加工技術，這給大批量生產帶來了難題。研究人員此次開發的由硅微粒制成、其外具有導電高分子涂層的自我修復電極是人們首次尋找到有望賦予實際應用的電極。研究人員表示，他們的成果還有望用于研發其他的電極材料，他們將繼續改進新技術，提高硅電極的性能和壽命。