隨著數(shù)字化智能設(shè)備和電動汽車市場的日益擴(kuò)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(fù)極時(shí)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(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(gè)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?yàn)閹缀跛杏米麟姵仃枠O的金屬都會產(chǎn)生枝狀晶體，比如，鋅、鈉和鋁電池等。

 

他和研究團(tuán)隊(duì)并不是從材料或電化學(xué)的角度來解決這個(gè)問題的，而是從機(jī)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。”

 

電鍍鋰層過程中形成的壓應(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(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。

 

除了研究鋰枝晶的生長機(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）來延長鋰金屬電池的壽命，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”，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(shè)備的充電速度更快，持續(xù)時(shí)間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的教員、斯坦福材料科學(xué)教授威廉·崔領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)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(diǎn)像一個(gè)黑匣子，”麻省理工學(xué)院教授、這項(xiàng)研究的另一位負(fù)責(zé)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(gè)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(shù)，我們開始對這些東西的工作原理有了更嚴(yán)格的科學(xué)理解。“爆米花效應(yīng)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(nèi)燃機(jī)和儲存風(fēng)能和太陽能的電網(wǎng)。更好地理解這種材料和其他類似材料可能會導(dǎo)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(jī)制。當(dāng)鋰離子電池充放電時(shí)，鋰離子從液體溶液中流入固體儲藏室。但是一旦進(jìn)入固體，鋰就會重新排列，有時(shí)導(dǎo)致材料分裂成兩個(gè)不同的相，就像油和水混合在一起時(shí)分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集在一起，形成熱點(diǎn)，從而縮短電池壽命。