鋰電池壽命和安全性如何提高？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-15 10:00
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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。
科學(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)》（Nano Letters）上發(fā)表。
圖片來自郭玉國(guó)等人在Nano Letters上發(fā)表的論文
郭玉國(guó)團(tuán)隊(duì)提出的具體方法是，通過微球結(jié)構(gòu)（microsphere）來俘獲鋰，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。電池和鋰空氣（lithium-air）電池都有意義，并且對(duì)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(huì)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(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(huì)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(zhǎng)原因的可能性。”
