鋰枝晶是什么？它會導致哪些安全隱患發(fā)生呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-16 10:52
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鋰電池充電和放電原理是什么？
鋰電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，它的陽極采用能吸藏鋰離子的碳極， 放電 時，鋰變成鋰離子，脫離電池陽極，到達鋰電池陰極。鋰離子在陽極和陰極之間移動，電極 本身不發(fā)生變化。這是鋰電池與金屬鋰電池本質上的差別。鋰電池的陽極為石墨晶體，陰極 通常為二氧化鋰。充電時，陰極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽極運動與電 子合成鋰原子。放電時，鋰原子從石墨晶體內陽極表面電離成鋰離子和電子，并在陰極處合 成鋰原子。所以，在該電池中鋰永遠以鋰離子的形態(tài)出現(xiàn)，不會以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)，所以 這種電池叫做鋰電池
隨著數(shù)字化智能設備和電動汽車市場的日益擴張，鋰金屬電池可以說是最有前途的高密度儲能技術之一。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。
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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(chǎn)生枝狀晶體，比如，鋅、鈉和鋁電池等。
姜漢卿稱，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。”
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圖丨（a）電鍍鋰層過程中形成的壓應力使得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(wǎng)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”， 姜漢卿解釋說。
該研究小組成員之一、萊斯大學（Rice University）的Ming Tang教授說：“通過與其他抑制鋰枝晶的方法相結合，比如新的電解液添加劑，這一發(fā)現(xiàn)對于使鋰金屬電池成為一種安全、高密度、長期儲存能量的解決方案具有廣泛的意義。這種技術的潛在應用范圍非常廣泛，從個人電子設備供電，到為電動汽車提供超長時動力，再到作為太陽能電網(wǎng)的備用電源。”
對于動力電池來說，通常大家最關心的問題無非是電池的壽命、電池的安全性以及電池的續(xù)航性能等這幾個方面。其實，不管是傳統(tǒng)的鉛酸電池，還是現(xiàn)在電動車新國標落地以后“來勢很猛”的鋰電池，電池的壽命以及耐用性，都在消費者選擇電池的過程中扮演著舉足輕重的角色！
常說：鋰電池只能充放電500次？
在日常生活中，我們經(jīng)常會聽到這樣一種說法：“鋰電池壽命比傳統(tǒng)鉛酸電池要長，循環(huán)壽命可達500次。”通常，我們會把鋰電池的壽命是“500次”，想當然的認為是充電次數(shù)，事實上指的500次充放電周期。
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一個充電周期，指的是鋰電池的電量由滿用到空，再由空充到滿的過程，這并不等同于充一次電。舉個例子，一塊鋰電池當天只用了一半的電量，然后又為它充滿電。如果第二天還如此，用一半就充，總共兩次充電下來，這只能算作一個充電周期，而不是兩個。因此，通常可能要經(jīng)過好幾次充電才完成一個周期。
電池耗盡再充電，延長鋰電池壽命？
很多人可能會疑惑，是不是鋰電池充放電超過500個周期，就得換新鋰電了呢？很多朋友為了能夠延長電池的壽命，每次都在電池電量完全耗盡時才進行充電 ，這樣真的可以延長鋰電池壽命嗎？
事實上，每完成一個充電周期，電池容量就會相對減少一點。不過，這個電池容量減少幅度非常小，并不影響電池的正常性能。據(jù)了解，現(xiàn)在高品質的鋰電池經(jīng)過多個周期充放電之后，電池容量仍然可達80%以上。
如何延長鋰電池壽命呢？
1、首次騎行時，最好把鋰電池充滿，主要是因為鋰電池從出廠那一刻，就開始處于一個自放電過程，自放電會使鋰電池帶電量減少 。
2、每次騎行時，不要將電池電量完全耗盡，長期過放會使電池壽命減少3倍。當電動車騎行中出現(xiàn)電量過低提示時，要及時地停止騎行，去盡快充電。
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3、注意的是鋰電池不能過度放電，過度放電會造成不可逆的容量損失。如果長時間不用電池，應將電池從儀器中取出保存于干燥陰涼處，并要在60~90天內充電一次，以免存放時間過長，電池因自放電導致電量過低，造成不可逆的容量損失，因為鋰電池的最佳存放狀態(tài)是半電存放。
4、千萬不能過充，當充電完成指示燈亮時，要停止充電。
5、盡量使用原裝鋰電池充電器充電，原裝充電器配套性能強，充電倍率適度，避免因過大電流充電造成對電池內部結構的損害。
總之，鋰電壽命和充電周期的完成次數(shù)有關，和充電次數(shù)沒有直接關系。雖然鋰電池的壽命是有限的，但是可以通過平時對鋰電池的規(guī)范使用和定期的維護來延長鋰電池的壽命！
