来自素有南方哈佛之称的美国莱斯大学团队开发出以沥青制成的多孔性碳阳极，让锂金属电池充电速度比目前的商业锂离子电池快 10~20 倍，一首歌的时间就能充饱电！此外，从沥青衍生的碳可防止锂电池最害怕的树枝状结晶（dendrite）形成，研究人员称，这项研究将使沥青材料在高功率快速充放电装置中大放异彩，成为锂电池材料界的明日之星。
我们知道锂金属由于其高比容量（specific capacity）和低化学电位特性而成为电池市场宠儿，但以纯金属锂为电极的电池却有一个致命伤：随着充放电次数增加，电池内部会生成越来越多树枝状结晶，导致锂电池短路而产生爆炸风险。为了改善这问题，1990 年代后锂离子电池的阳极便多舍弃金属锂而改用嵌锂的石墨，在一定程度上减少了树突结晶的形成，但也因此出现另一个困扰：锂电池效能大幅降低，储电能力仅剩下以金属锂为锂电池电极的十分之一。
不过，由莱斯大学材料科学与奈米工程学教授詹姆斯·托尔（James Tour）领导开发的锂电池阳极一次解决了上述两大问题。在实验室中，研究人员使用沥青制成多孔性碳阳极，尤其是未处理过的高锰矿来为锂镀层的廉价材料，实验结果发现，电池产生的大电流密度（注 1）为 20 mA/cm2 ，经过 500 次充放电循环后，仍维持出色稳定性。
至于电池充电速度更是大幅提升 10~20 倍，詹姆斯·托尔表示，他们可以在 5 分钟内将电池电量从零充到满，若是其他电池，一般都需要 2 小时或更长时间才能充饱。
▲ 左图为沥青、石墨烯和锂金属组成的电池阳极。（Source：莱斯大学）
研究人员再将沥青碳阳极和硫化碳阴极结合进行完整测试后，发现电池的功率密度（注 2）达 1,322 W/Kg，能量密度达到 943 Wh/Kg，作为比较，以锂钴氧化物为正极、碳为负极的锂离子电池，其能量密度为 370 Wh/kg。显然，对需要高功率密度的快速充放电装置而言，沥青材料彰显了它的特殊地位。
2013 年时，詹姆斯·托尔实验室曾经开发以石墨烯碳奈米管为阳极材料的锂离子电池，这类阳极也可以阻止树突结晶形成，不过相比之下，虽然两者电池容量相差无几，但沥青复合材料的制造过程却更简单，成本也更低廉，它不需要电子束沉积、化学气相沉积等步骤。这项研究已发表在美国化学学会的期刊上。
注 1：在电磁学里，电流密度（current density）是电荷流动的密度，即电流量每单位截面面积，对电力系统和电子系统来说，电流密度是很重要的，因为电路的性能与电流量紧密相关，而电流密度又由导体的物体尺寸决定。
注 2：功率密度，是指燃料电池能输出的最大功率÷整个燃料电池系统的重量或体积，单位是瓦／公斤或瓦／升。
（首图来源：pixabay）
