鋰電池的壽命如何延長并提升安全性？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-19 13:24
點(diǎn)擊量：次
日前，中國學(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（dendrite growth）。
由于枝晶生長受到抑制，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)室的研究員郭玉國的研究團(tuán)隊。該研究已于日前在美國化學(xué)學(xué)會期刊的《納米快報》（Nano Letters）上發(fā)表。
郭玉國團(tuán)隊提出的具體方法是，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。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。該成果為利用仿生概念設(shè)計高性能的金屬鋰電池提供了一種新思路。
郭玉國團(tuán)隊認(rèn)為，此研究為鋰金屬電極的設(shè)計提供了新的思路，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，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。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。
姜漢卿稱，他和研究團(tuán)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(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。”
