石墨/PMMA / Li三層電極在電池電解質中浸泡24小時之前(左)和之後(右)的對比。在浸入電解質之前，三層電極在空氣中是穩定的。浸泡後，鋰與(yu) 石墨反應，顏色變黃。圖片來源：哥倫(lun) 比亞(ya) 大學

　　“當鋰電池第一次充電時，它們(men) 在第一個(ge) 循環就損失了高達5-20%的能量”，楊遠說道，“通過結構的改進，我們(men) 已經能夠避免這種損失。同時，我們(men) 的方法在增加電池壽命方麵有巨大潛力，有望應用於(yu) 便攜式電子設備和電動汽車。”

　　在被生產(chan) 出來之後的第一次充電期間，鋰電池中的一部分電解質會(hui) 因還原反應，從(cong) 液態變為(wei) 固態，並附著在電池的負極上。這個(ge) 過程是不可逆的，會(hui) 降低電池的存儲(chu) 能量。

　　在現有的電極製造技術下，這一過程來帶的損失約為(wei) 10%，但是對於(yu) 具有高容量的下一代負極材料，例如矽，損耗則將達到20-30%，這是將大大降低電池的實際可用容量。

　　為(wei) 了補償(chang) 這樣的初始損耗，傳(chuan) 統的方法是在電極中加入某些富鋰材料。然而，由於(yu) 這類材料大多在空氣環境中不穩定，因此必須在完全沒有水分的幹燥空氣裏製造，故而大幅增加了電池的製造成本。

　　楊遠開發的這種三層電極結構則確保了電極完全可以在普通空氣環境下完成製造。

　　首先，他使用了一層“PMMA”(即常見的有機玻璃材料)，來隔絕鋰與(yu) 空氣和水分的接觸;然後在PMMA聚合物上加一層人造石墨或矽納米顆粒等活性材料;最後，他讓PMMA聚合物層溶解在電池電解質中，從(cong) 而將鋰與(yu) 電極材料導通。

　　楊遠解釋說：“這樣我們(men) 就可以避免不穩定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結構的電極可以在普通空氣環境下完成，更容易實現電池電極的量產(chan) 。”

　　三層結構電極的生產(chan) 過程： PMMA在初始狀態下確保鋰不會(hui) 與(yu) 空氣中的水分發生反應。當PMMA被電池電解質溶解後，石墨與(yu) 鋰接觸以補償(chang) 由於(yu) 電解質的還原而引起的初始損耗。圖片來源：哥倫(lun) 比亞(ya) 大學

　　楊遠的方法將現有石墨電極的損耗從(cong) 8%降低到0.3%，將矽電極的損耗從(cong) 13%降低到-15%( 負數表示由於(yu) 添加了新的鋰材料，導致電池的容量教初始狀態還有了增加)。過量的鋰可以補償(chang) 隨後循環中的容量損失，因此可以進一步增強電池的循環壽命。

　　鋰離子電池的能量密度(或者叫容量)在過去的25年中一直保持著5-7%的年增長率，而楊遠研究成果給進一步提高這個(ge) 增長率提供了可行性方案。他的團隊現在正在努力減少PMMA塗層的厚度，以降低其在鋰電池中的比例更低，並爭(zheng) 取實現工業(ye) 化生產(chan) 。

　　耶魯大學的化學助理教授王海良說：“三層電極結構的設計十分巧妙，能夠在普通空氣環境下生產(chan) 含鋰金屬的電極。電極的初始庫侖(lun) 效率一直是鋰離子電池行業(ye) 的一大難題，因此這種簡單有效的補償(chang) 技術必將引起人們(men) 極大的興(xing) 趣。”