锂离子电池为从手机到笔记本电脑再到电动汽车的所有设备供电。世界各地的科学家一直在寻找新的和改进的组件，以为这些应用和其他应用制造更好的电池。
美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）的科学家报告了一种使用低成本材料的铅和碳为锂离子电池设计的新电极。这项重要发现的贡献者还包括西北大学，布鲁克海文国家实验室和蔚山国立科学技术研究院（UNIST）的科学家。
阿贡大学化学科学与工程（CSE）的首席作者兼材料科学家EungjeLee表示：“我们的研究对于设计可为混合动力和全电动汽车提供动力的低成本，高性能，可持续发展的锂离子电池具有令人兴奋的意义。
锂离子电池的工作原理是在充电过程中将锂离子插入阳极，并在放电过程中将其除去。目前的石墨阳极可以进行数千次这样的充放电循环，但在储能能力方面似乎已达到其极限。
Lee说：“我们决定研究铅，以替代石墨作为阳极材料。铅之所以特别具有吸引力，是因为它既便宜又便宜。此外，由于铅酸电池为汽车提供辅助电源的悠久历史，它拥有完善的供应链，是世界上回收利用最多的材料之一。在美国，当前的铅回收率是99％。
李补充说：“我们的新阳极可以为目前从事铅酸电池制造和回收的大型行业提供新的收入来源。”
该团队的阳极不是一块普通的铅板，而是无数个具有复杂结构的微观颗粒：铅纳米颗粒嵌入碳基质中，并被氧化铅薄壳包围。尽管此结构听起来很复杂，但该团队发明了一种简单，低成本的制造方法。
“我们的方法包括将大的氧化铅颗粒与碳粉混合振荡数小时，直到形成具有所需核-壳结构的微观颗粒，”该项目的主要研究人员兼CSE的Argonne杰出研究员ChristopherJohnson解释说。
在超过100个充放电循环的实验室电池中进行的测试表明，新的铅基纳米复合阳极的储能能力是当前石墨阳极的两倍（对于相同的重量进行标准化）。循环过程中稳定的性能是可能的，因为小粒径的颗粒可缓解应力，而碳基质提供所需的导电性，并充当缓冲剂，可防止循环过程中破坏体积膨胀。研究小组还发现，向标准电解液中添加少量的碳酸氟代亚乙酯会显着提高性能。
研究人员在由DOE科学使用者设施办公室Argona的AdvancedPhotonSource由芝加哥大学运营的GeoSoilEnviro高级辐射源中心（GSECARS）研究了其阳极的充放电机理。通过同步加速器X射线衍射，他们能够跟踪负极材料在充电和放电时的相变。这些表征结果与西北大学原子与纳米级表征中心以及布鲁克海文的DOE用户设施国家同步加速器光源II所收集的结果相结合，揭示了充电和放电时铅与锂离子之间发生的电化学反应，以前是未知的。
Lee说：“这一基本见解可能对理解铅和硅阳极的反应机理很重要。”
硅阳极是下一代锂离子电池的另一种低成本，高性能的选择。
约翰逊说：“我们的发现挑战了目前对这种电极材料的理解。”``我们的发现还为设计用于运输和固定储能的低成本，高性能阳极材料提供了令人兴奋的含义，例如用于电网的备用电源。''
该团队的论文发表在最近出版的《高级功能材料》上。
