當鋰離子電池第一次充電時，它們在第一個循環(huán)就損失了高達5-20％的能量，楊遠說道，通過結(jié)構(gòu)的改進，我們已經(jīng)能夠防止這種損失。同時，我們的方法在新增電池壽命方面有巨大潛力，有望應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車。

在被生產(chǎn)出來之后的第一次充電期間，鋰離子電池中的一部分電解質(zhì)會因還原反應(yīng)，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并附著在電池的負極上。這個過程是不可逆的，會降低電池的存儲能量。

在現(xiàn)有的電極制造技術(shù)下，這一過程來帶的損失約為10％，但是關(guān)于具有高容量的下一代負極材料，例如硅，損耗則將達到20-30％，這是將大大降低電池的實際可用容量。

為了補償這樣的初始損耗，傳統(tǒng)的方法是在電極中加入某些富鋰材料。然而，由于這類材料大多在空氣環(huán)境中不穩(wěn)定，因此必須在完全沒有水分的干燥空氣里制造，故而大幅新增了電池的制造成本。

楊遠開發(fā)的這種三層電極結(jié)構(gòu)則確保了電極完全可以在普通空氣環(huán)境下完成制造。

首先，他使用了一層PMMA（即常見的有機玻璃材料），來隔絕鋰與空氣和水分的接觸；然后在PMMA聚合物上加一層人造石墨或硅納米顆粒等活性材料；最后，他讓PMMA聚合物層溶解在電池電解質(zhì)中，從而將鋰與電極材料導(dǎo)通。

楊遠解釋說：這樣我們就可以防止不穩(wěn)定的鋰和鋰化電極間的空氣接觸。采用該結(jié)構(gòu)的電極可以在普通空氣環(huán)境下完成，更容易實現(xiàn)電池電極的量產(chǎn)。

三層結(jié)構(gòu)電極的生產(chǎn)過程：PMMA在初始狀態(tài)下確保鋰不會與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)。當PMMA被電池電解質(zhì)溶解后，石墨與鋰接觸以補償由于電解質(zhì)的還原而引起的初始損耗。圖片來源：哥倫比亞大學

楊遠的方法將現(xiàn)有石墨電極的損耗從8％降低到0.3％，將硅電極的損耗從13％降低到-15％（負數(shù)表示由于添加了新的鋰材料，導(dǎo)致電池的容量教初始狀態(tài)還有了新增）。過量的鋰可以補償隨后循環(huán)中的容量損失，因此可以進一步增強電池的循環(huán)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％的年上升率，而楊遠研究成果給進一步提高這個上升率供應(yīng)了可行性方法。他的團隊現(xiàn)在正在努力減少PMMA涂層的厚度，以降低其在鋰離子電池中的比例更低，并爭取實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

耶魯大學的化學助理教授王海良說：三層電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分巧妙，能夠在普通空氣環(huán)境下生產(chǎn)含鋰金屬的電極。電極的初始庫侖效率一直是鋰離子電池行業(yè)的一大難題，因此這種簡單有效的補償技術(shù)必將引起人們極大的興趣。