然而，鋰金屬電池技術的一大壁壘是會出現(xiàn)不可控的鋰枝晶，并由此引起充電能力變差和安全隱患的問題。

 

鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽極或負極時表面生長出的針狀物，它會引起有害的副反應而降低能量密度，嚴重的甚至會導致電極短路而引發(fā)火災或爆炸。

 

日前，亞利桑那州立大學（Arizona State University）的一項新研究發(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，這個發(fā)現(xiàn)對鋰離子（lithium-ion）電池和鋰空氣（lithium-air）電池都有意義，并且對其他金屬陽極電池也有很大的意義。因為幾乎所有用作電池陽極的金屬都會產生枝狀晶體，比如，鋅、鈉和鋁電池等。

 

他和研究團隊并不是從材料或電化學的角度來解決這個問題的，而是從機械工程師的角度來尋找解決方案。他說，“已知的研究表明，微小的錫針或錫須（類似枝狀晶體）在應力作用下會從錫金屬的表面伸出，因此通過類比，我們研究了應力作為鋰枝晶生長原因的可能性。”

 

電鍍鋰層過程中形成的壓應力使得PDMS基底上的銅層產生褶皺變形；（b）PDMS基底的褶皺變形使得鋰層中的應力得到釋放，從而抑制枝晶的形成；（c）沒有柔性PDMS基底的應力釋放作用，鋰金屬表面形成枝狀晶體

 

在第一輪研究中，研究者在電池的陽極底部加了一層柔性PDMS，發(fā)現(xiàn)鋰枝晶的生長有明顯的減少。研究者的分析表明，金屬鋰電極中累積的應力被PDMS基底以褶皺變形的形式所釋放，而這種枝晶減少的趨勢與此應力釋放直接相關。

 

“這是首次從實驗上證明了殘余應力在鋰枝晶的形成中起著關鍵作用”，姜漢卿說。

 

除了研究鋰枝晶的生長機制外，姜漢卿團隊又進一步研究了如何利用這種現(xiàn)象（應力釋放減少枝晶生長）來延長鋰金屬電池的壽命，同時還保持高能量密度。

 

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構。“利用一塊內部含有大量小孔的方糖作為模板，PDMS進入方糖內部的孔隙中，形成一個連續(xù)的網絡狀基底，再鍍一層薄薄的銅層以傳導電子。最后，再用鋰金屬充滿這些孔隙。PDMS作為一種多孔的海綿狀層，能夠有效減輕應力并抑制枝晶生長”，在過去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來回移動到充電和放電的可充電電池，使得小型設備的充電速度更快，持續(xù)時間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學研究所的教員、斯坦福材料科學教授威廉·崔領導的一個國際研究小組今天發(fā)表了這些發(fā)現(xiàn)。天然材料.“以前，它有點像一個黑匣子，”麻省理工學院教授、這項研究的另一位負責人馬丁·巴贊(MartinBazant)說。“你可以看到材料工作得很好，某些添加劑似乎也有幫助，但你不能確切地知道鋰離子在這個過程的每一步都會往哪里走。”你只能嘗試發(fā)展一種理論，并從測量中倒退。有了新的儀器和測量技術，我們開始對這些東西的工作原理有了更嚴格的科學理解。“爆米花效應任何乘坐過電動巴士、使用過電動工具或使用過無繩真空的人，都有可能從他們研究的電池材料中獲益，磷酸鐵鋰。它也可以用于汽車的啟動-停止功能與內燃機和儲存風能和太陽能的電網。更好地理解這種材料和其他類似材料可能會導致更快的充電，更長的壽命和更耐用的電池。但直到最近，研究人員還只能猜測能讓它發(fā)揮作用的機制。當鋰離子電池充放電時，鋰離子從液體溶液中流入固體儲藏室。但是一旦進入固體，鋰就會重新排列，有時導致材料分裂成兩個不同的相，就像油和水混合在一起時分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應”。離子聚集在一起，形成熱點，從而縮短電池壽命。