现在，麻省理工学院和中国清华大学的一个研究小组已经找到了一种解决这个问题的新方法：制造一个由具有坚固外壳的纳米颗粒制成的电极，以及一个可以在不影响外壳的情况下一次又一次地改变尺寸的“蛋黄”。该团队表示，这项创新可以大大改善循环寿命，并大大提高电池的容量和功率。

利用铝作为锂离子电池负极或阳极的关键材料的新发现在自然通讯杂志上发表，在麻省理工学院教授朱莉和其他六篇论文中发表。该团队报告称，纳米粒子与铝蛋黄和二氧化钛壳的使用已被证明是“高容量阳极中的高效率冠军”。

大多数现有的锂离子电池-最广泛使用的可充电电池形式-使用由石墨(一种碳)制成的阳极。石墨的电荷存储容量为0.35安培-小时/克(Ah/g);多年来，研究人员探索了其他可以为给定重量提供更大能量储存的选择。例如，锂金属可以储存每克能量的约10倍，但是非常危险，能够短路或甚至着火。硅和锡具有非常高的容量，但是在高充电和放电速率下容量下降。

铝是一种低成本选择，理论容量为2Ah/g。但李说，铝和其他高容量材料“当它们吸收锂时会膨胀很多，然后在释放锂时会缩小。”

铝颗粒的这种膨胀和收缩产生很大的机械应力，这可能导致电触点断开。此外，与铝接触的液体电解质将始终在所需的充电/放电电压下分解，形成称为固体电解质中间相(SEI)层的皮肤，如果不是因为重复的大体积膨胀和收缩导致SEI，那将是可以的。颗粒脱落。结果，先前开发用于锂离子电池的铝电极的尝试失败了。

这就是使用蛋黄壳纳米粒子形式的限制铝的想法。在纳米技术业务中，所谓的“核-壳”和“蛋黄-壳”纳米粒子之间存在很大差异。前者有一个直接与核心结合的壳，但卵黄壳颗粒在两者之间有一个空隙-相当于一个蛋的白色。结果，“蛋黄”材料可以自由地膨胀和收缩，对“壳”的尺寸和稳定性几乎没有影响。

“我们制造了一个氧化钛外壳，”李说，“将铝与液体电解质分开”，在电池的两个电极之间。他说，外壳不会膨胀或收缩太多，因此外壳上的SEI涂层非常稳定且不会脱落，并且内部的铝不会直接接触电解液。

该团队最初并未按计划进行计划，负责核能科学与工程的Battelle能源联盟教授李说，他在麻省理工学院材料科学与工程系联合任命。

“我们偶然想出了这种方法，这是一次机会发现，”他说。他们使用的铝颗粒直径约为50纳米，自然具有氧化铝(Al2O3)氧化层。“我们需要摆脱它，因为它对导电性不好，”李说。

他们最终将氧化铝层转化为二氧化钛(TiO2)，当它非常薄时，它是更好的电子和锂离子导体。将铝粉置于用硫酸氧钛饱和的硫酸中。当氧化铝与硫酸反应时，释放出过量的水，其与硫酸氧钛反应形成厚度为3至4纳米的氢氧化钛固体壳。令人惊讶的是，虽然这种固体壳几乎瞬间形成，但如果颗粒在酸中停留几个小时，铝芯会不断缩小，形成一个30nm宽的“蛋黄”，这表明小离子可以穿过外壳。

然后处理颗粒以得到最终的铝-二氧化钛(ATO)蛋黄-壳颗粒。Li说，经过500次充放电循环测试后，二氧化钛外壳变得稍厚，但电极内部保持清洁，SEI没有堆积，证明外壳完全封闭铝，同时允许锂离子和电子进出。Li说，结果是电极在正常充电速率下的容量是石墨容量的三倍以上(1.2Ah/g)。在非常快的充电速率(6分钟至完全充电)下，500次循环后容量仍为0.66Ah/g。

Li说，材料价格低廉，制造方法简单，易于扩展。对于需要高功率和高能量密度电池的应用，他说，“它可能是最好的阳极材料。”使用磷酸铁锂作为阴极的全电池测试已经成功，表明ATO非常接近于为实际应用做好准备。

研究小组包括北京清华大学的SaLi，YuYuZhao和ChangChangWang以及麻省理工学院的JunjieNiu，KangpyoSo和ChaoWang。这项工作得到了国家科学基金会和国家自然科学基金的支持。