鋰電池壽命如何延長(zhǎng)并提升安全性？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-18 10:14
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鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽(yáng)極或負(fù)極時(shí)表面生長(zhǎng)出的針狀物，它會(huì)引起有害的副反應(yīng)而降低能量密度，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致電極短路而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
鋰離子電池的正極電位較高，常為嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物，或者聚陰離子化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、三元、磷酸鐵鋰等；鋰離子電池負(fù)極物質(zhì)通常為碳素材料，如石墨和非石墨化碳等；鋰離子電池電解液主要為非水溶液，由有機(jī)混合溶劑和鋰鹽構(gòu)成，其中溶劑多為碳酸之類(lèi)有機(jī)溶劑，鋰鹽多為單價(jià)聚陰離子鋰鹽，如六氟磷酸鋰等；鋰離子電池隔膜多為聚乙烯、聚丙稀微孔膜，起到隔離正、負(fù)極物質(zhì)，防止電子通過(guò)引起短路，同時(shí)能讓電解液中離子通過(guò)的作用。
在充電過(guò)程中，電池內(nèi)部，鋰以離子形式從正極脫出，由電解液傳輸穿過(guò)隔膜，嵌入到負(fù)極中；電池外部，電子由外電路遷移到負(fù)極。在放電過(guò)程中：電池內(nèi)部鋰離子從負(fù)極脫出、穿過(guò)隔膜，嵌入到正極中；電池外部，電子由外電路遷移到正極。隨著充、放電，遷移于電池間的是“鋰離子”，而非單質(zhì)“鋰”，因此電池被稱(chēng)為“鋰離子電池”。
二、鋰離子電池的安全隱患
一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池出現(xiàn)安全問(wèn)題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問(wèn)題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過(guò)充、火源、擠壓、穿刺、短路等問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題。鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)了電池?zé)崃康暮纳⒛芰?，鋰離子電池就會(huì)過(guò)熱，電池材料就會(huì)發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。
日前，亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，使用三維聚二甲基硅氧烷（PDMS）層作為電池中鋰金屬陽(yáng)極的基體材料，能夠有效地抑制鋰枝晶的形成，從而大大地延長(zhǎng)電池壽命，減少安全隱患。該研究于3月6日發(fā)表在最新的頂級(jí)期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。
論文的首席研究員姜漢卿（Hanqing Jiang）教授說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)鋰離子（lithium-ion）電池和鋰空氣（lithium-air）電池都有意義，并且對(duì)其他金屬陽(yáng)極電池也有很大的意義。因?yàn)閹缀跛杏米麟姵仃?yáng)極的金屬都會(huì)產(chǎn)生枝狀晶體，比如，鋅、鈉和鋁電池等。
姜漢卿稱(chēng)，他和研究團(tuán)隊(duì)并不是從材料或電化學(xué)的角度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的，而是從機(jī)械工程師的角度來(lái)尋找解決方案。他說(shuō)，“已知的研究表明，微小的錫針或錫須（類(lèi)似枝狀晶體）在應(yīng)力作用下會(huì)從錫金屬的表面伸出，因此通過(guò)類(lèi)比，我們研究了應(yīng)力作為鋰枝晶生長(zhǎng)原因的可能性。”
圖丨（a）電鍍鋰層過(guò)程中形成的壓應(yīng)力使得PDMS基底上的銅層產(chǎn)生褶皺變形；（b）PDMS基底的褶皺變形使得鋰層中的應(yīng)力得到釋放，從而抑制枝晶的形成；（c）沒(méi)有柔性PDMS基底的應(yīng)力釋放作用，鋰金屬表面形成枝狀晶體
在第一輪研究中，研究者在電池的陽(yáng)極底部加了一層柔性PDMS，發(fā)現(xiàn)鋰枝晶的生長(zhǎng)有明顯的減少。研究者的分析表明，金屬鋰電極中累積的應(yīng)力被PDMS基底以褶皺變形的形式所釋放，而這種枝晶減少的趨勢(shì)與此應(yīng)力釋放直接相關(guān)。
“這是首次從實(shí)驗(yàn)上證明了殘余應(yīng)力在鋰枝晶的形成中起著關(guān)鍵作用”，姜漢卿說(shuō)。
圖丨三維多孔鍍銅PDMS基體的制作過(guò)程
除了研究鋰枝晶的生長(zhǎng)機(jī)制外，姜漢卿團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步研究了如何利用這種現(xiàn)象（應(yīng)力釋放減少枝晶生長(zhǎng)）來(lái)延長(zhǎng)鋰金屬電池的壽命，同時(shí)還保持高能量密度。
研究者提出的方法是將PDMS基體做成具備很多表面的三維結(jié)構(gòu)。“利用一塊內(nèi)部含有大量小孔的方糖作為模板，PDMS進(jìn)入方糖內(nèi)部的孔隙中，形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀基底，再鍍一層薄薄的銅層以傳導(dǎo)電子。最后，再用鋰金屬充滿(mǎn)這些孔隙。PDMS作為一種多孔的海綿狀層，能夠有效減輕應(yīng)力并抑制枝晶生長(zhǎng)”， 姜漢卿解釋說(shuō)。
該研究小組成員之一、萊斯大學(xué)（Rice University）的Ming Tang教授說(shuō)：“通過(guò)與其他抑制鋰枝晶的方法相結(jié)合，比如新的電解液添加劑，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于使鋰金屬電池成為一種安全、高密度、長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量的解決方案具有廣泛的意義。這種技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍非常廣泛，從個(gè)人電子設(shè)備供電，到為電動(dòng)汽車(chē)提供超長(zhǎng)時(shí)動(dòng)力，再到作為太陽(yáng)能電網(wǎng)的備用電源。
