近日，海德堡马克斯·普朗克医学研究所的研究取得突破，其发现可显著提升电池能量，相关研究成果已发表于《ACS Nano》杂志。

该研究所所长约阿希姆·斯帕茨(Joachim Spatz)领导的研究小组发现，用作电池电极接触材料的金属绒能显著加速金属离子的电荷传输，这一发现使制造比目前标准厚度明显更大的电极成为可能。如此一来，可节省约一半的接触金属和其他对储能无贡献的材料，还能显著提高电池的能量密度。

斯帕茨介绍，电池电极由接触材料和活性材料组成。接触材料，如目前锂离子电池负极的铜箔和正极的铝箔，仅用于传输电流进出电极;活性材料是实际的存储材料，在充电和放电过程中吸收和释放电荷。当下，电池制造商在负极使用石墨，在正极使用各种含锂的无机化合物，活性材料多孔且能被液体电解质渗透。

然而，目前常用的活性材料虽能吸收大量电荷，但离子传导性能差。离子需穿过液体电解质进入活性材料，因被电解质分子壳包裹且体积较大，在电解质中移动缓慢，在活性材料内部移动速度也慢。这给电池制造商带来两难选择：电极做厚虽能提高能量密度，但电池无法快速充放电;电极做薄虽能实现快速充放电，却要接受能量密度下降。目前，电池制造商妥协后得到的电极厚度约为十分之一毫米，大致相当于人类头发的直径。

在此次研究中，海德堡团队展示了生产比目前至少厚十倍且仍能快速充放电电极的方法。研究人员证明，锂离子会在铜表面剥离分子壳，沉积并与聚集在金属表面下的电子形成双电层，即亥姆霍兹层。通过专门开发的测量装置和理论计算，发现锂离子穿过亥姆霍兹层的速度比穿过电解质快56倍左右，金属表面对于金属离子而言就像一条“高速公路”。

基于此，研究人员建议在活性材料中穿插金属高速公路网络以促进离子传输。他们用厚度仅为百分之几毫米的金属线制成绒状物，将活性材料嵌入其中，所需的铜量仅为传统箔电极的一半。即使电极厚度比目前常用电极厚度增加约十倍，锂离子仍能通过绒状电极快速进出活性材料，满足电动汽车等应用需求，且绒状电极的能量密度比箔电极高出85%。

斯帕茨指出，通过二维层向材料输送电荷效率极低，自然界通过三维血管网络为生物体提供电荷，而他们的技术目标正是建立一个三维电荷载体输送网络，用于高效地为电池充电和放电。

不仅如此，绒状电极不仅功率更高，制造也更容易、更便宜。当前电池生产中，制造商需通过复杂工艺将薄层活性材料施加到接触箔上，有时还会使用有毒溶剂。相比之下，活性材料可以粉末形式引入绒状电极中。采用干式灌装，大概可节省30%到40%的生产成本，生产设施所需空间也减少了三分之一。

鉴于绒状电极的巨大潜力，斯帕茨已创办一家初创公司，与大型汽车制造商等合作开发该电池技术，推动其投入市场。他坚信，此举能提升德国制造商在快速发展的电池技术领域的竞争力，使其有机会赶上甚至超越亚洲制造商。

更多信息：Yuanzhen Wang 等，《增强亥姆霍兹层中的离子迁移率以实现超厚电极》，ACS Nano (2025)。