中國(guó)學(xué)者提出抑制鋰枝晶生長(zhǎng)新辦法，提高鋰電池壽命和安全性
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-11 11:49
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隨著便攜式電子設(shè)備及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，人們除了追求鋰電池的大容量和充放電速度外，更關(guān)心的是鋰電池的安全性。屢屢發(fā)生的鋰電池爆炸事件難免讓人神經(jīng)緊繃。
從科學(xué)層面而言，鋰電池爆炸的原因通常是電極表面鋰沉積不均勻?qū)е?ldquo;枝晶”（dendrites）生長(zhǎng)，使得電池的充放電效率降低，甚至電池內(nèi)部出現(xiàn)短路，從而引發(fā)電池故障或安全隱患?？茖W(xué)家們都在試圖找到解決方案。日前，中國(guó)學(xué)者提出采用一種微球（microspheres）結(jié)構(gòu)捕獲鋰，來(lái)限制鋰沉積和抑制枝晶生長(zhǎng)（dendrite growth）。
由于枝晶生長(zhǎng)受到抑制，所以在經(jīng)過(guò)200多次充放電后，電極仍能保持99%的高電鍍/剝離效率，這不僅有助于延長(zhǎng)鋰電池的壽命，也可有效提高安全性。
上述研究來(lái)自中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究員郭玉國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)。該研究已于日前在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊的《納米快報(bào)》（
郭玉國(guó)團(tuán)隊(duì)提出的具體方法是，通過(guò)微球結(jié)構(gòu)（microsphere）來(lái)俘獲鋰，以限制其沉積并抑制枝晶生長(zhǎng)。其所制備的微球?yàn)樘技{米管和多孔二氧化硅保護(hù)層的復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料對(duì)于控制鋰沉積行為是十分有效的。另外，絕緣涂層還可防止電子集中流動(dòng)并減少形成“熱點(diǎn)”的可能性。
據(jù)了解，郭少軍課題組通過(guò)借鑒自然界中蟻穴結(jié)構(gòu)能夠快速交換空氣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種有特殊官能團(tuán)修飾的二氧化硅為骨架的離子凝膠電解質(zhì)。這種仿生離子凝膠電解質(zhì)具有快速傳輸鋰離子的能力，而且能夠在金屬鋰負(fù)極表面自發(fā)地形成顆粒富集層，從而有效地抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。該成果為利用仿生概念設(shè)計(jì)高性能的金屬鋰電池提供了一種新思路。
郭玉國(guó)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，此研究為鋰金屬電極的設(shè)計(jì)提供了新的思路，可加快鋰電池的實(shí)際應(yīng)用。
此前，在解決鋰電池這一安全問(wèn)題時(shí)，業(yè)內(nèi)多采用的是電解液添加劑、穩(wěn)定的界面以及修飾電極等多種方式。有實(shí)驗(yàn)證明，采用架構(gòu)調(diào)整鋰枝晶積聚是最高效的方式。
北京大學(xué)工學(xué)院郭少軍課題組和北京理工大學(xué)陳人杰課題組曾共同提出了通過(guò)“蟻穴”結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)抑制鋰枝晶的方法。該團(tuán)隊(duì)的研究論文于2017年6月在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《能源與環(huán)境科學(xué)》
用三元材料作為正極材料的動(dòng)力鋰電池近年來(lái)憑借其容量高、循環(huán)穩(wěn)定性（電池壽命）好、成本適中等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代了鎳氫電池、鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池，成為目前市場(chǎng)上最主流的電池。今天，湃客就來(lái)和大家聊一聊三元鋰電池指的是哪三元。
三元鋰電池的三元指的是鎳（Ni）鈷（Co）錳（Mn）三種元素。
而這三種元素中鎳和鈷是活性金屬，錳不參與電化學(xué)反應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，活性金屬成分含量越高，電池容量就越大，但當(dāng)Ni的含量過(guò)高時(shí)，會(huì)引起Ni2+占據(jù)Li+的位置，加劇了陽(yáng)離子混排，從而導(dǎo)致容量降低。
Co也是活性金屬，但能起到抑制陽(yáng)離子混排的作用，從而穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)。
Mn作為非活性金屬主要起到穩(wěn)定反應(yīng)提高安全性的作用。
做一個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔?，鎳元素相?dāng)于《喜羊羊與灰太狼》中的沸羊羊，是羊村的實(shí)力擔(dān)當(dāng)，但不加限制可能會(huì)由于暴躁的性格闖禍，影響團(tuán)隊(duì)效率。
鈷元素相當(dāng)于美羊羊，雖然也有戰(zhàn)斗力，但主要負(fù)責(zé)通過(guò)美貌改善團(tuán)隊(duì)氛圍。
錳元素是慢羊羊，沒(méi)有戰(zhàn)斗力，是羊村的精神領(lǐng)袖，起到穩(wěn)定團(tuán)隊(duì)的作用防止羊互相打起來(lái)。
