隨著數(shù)字化智能設(shè)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(shù)之一。然而，鋰金屬電池技術(shù)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(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。

 

日前，亞利桑那州立大學(xué)（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(xué)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(yīng)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(yīng)力作為鋰枝晶生長原因的可能性。”

 

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(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與此應(yīng)力釋放直接相關(guān)。

 

“這是首次從實驗上證明了殘余應(yīng)力在鋰枝晶的形成中起著關(guān)鍵作用”，姜漢卿說。

 

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(yīng)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(jié)構(gòu)。“利用一塊內(nèi)部含有大量小孔的方糖作為模板，PDMS進入方糖內(nèi)部的孔隙中，形成一個連續(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”， 姜漢卿解釋說。

 

該研究小組成員之一、萊斯大學(xué)（Rice University）的Ming Tang教授說：“通過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(shù)的潛在應(yīng)用范圍非常廣泛，從個人電子設(shè)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。”鋰離子電池有這么多問題，自然是要有足夠的安全措施才行的。廠商一般會采用常見的三種安全手段，一是熱封閉隔膜，當(dāng)出現(xiàn)針刺或擠壓的時候，能夠保證隔膜迅速黏連，阻止內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。二是隨著溫度升高而電阻變大的PTC電阻，當(dāng)電池出現(xiàn)問題時，電阻變大，從而減小電流，保障電池安全，這點類似于保險絲。三是安全閥，如果電池內(nèi)部氣壓增大，那么安全閥就會爆裂釋放內(nèi)部壓力從而保證電池不會出現(xiàn)爆炸的情況，一般圓柱形電池的正極都有安全閥。