锂金属电池的致命缺陷有救了！新材料可延长其寿命
来源：宝鄂实业
2019-03-11 17:19
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锂金属电池的储电量相当于锂离子电池的10倍，但是因为一个致命缺陷一直未被商业化：在锂金属电池充放电时，锂会不均匀地聚集在电极上。这种积聚会大大缩短电池寿命，而且更重要的是，这可能会导致电池短路和起火。
据英国科学新闻网站3月15日报道，现在，美国伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）的研究人员开发了一种以氧化石墨烯为涂层的“纳米片”来解决这一问题：将这种纳米片置于锂金属电池的两个电极之间能够防止锂的不均匀聚集，令电池经过数百次的充电/放电循环仍能安全工作。研究人员将研究成果刊登在美国《先进功能材料》杂志上。
这篇研究论文的通讯作者、UIC工程学院机械与工业工程专业副教授雷扎·沙赫巴齐安-亚萨尔说：“我们的研究结果表明，二维材料——在此例中为氧化石墨烯——能够帮助调节锂聚集，从而延长锂金属电池的使用寿命。”
报道称，在锂离子电池中，有一个隔膜被置于电解液中。这种隔膜通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纤维制成，隔膜允许锂离子通过，同时挡住其他部件，以防发生可能导致起火的短路。
沙赫巴齐安-亚萨尔及其同事在锂金属电池中使用了一种改进的隔膜来调节锂离子的流动，以控制锂的聚集速度，然后观察其是否能防止锂树枝状结晶的形成。他们把氧化石墨烯喷涂到一种玻璃纤维隔膜上，从而制造出他们口中的“纳米片”。
这项研究的第一作者、UIC工程学院研究生塔拉·福鲁赞说，研究人员利用扫描电子显微镜和其他成像技术来展示，当这种纳米片被用于锂金属电池时，锂电极表面会形成一层均匀的锂膜，这实际上提高了电池性能，并且令电池更安全。
得克萨斯农机大学的一组研究人员带头进行的分子模拟表明，锂离子暂时与氧化石墨烯结合，然后通过纳米片中的纳米级缺陷区扩散。这放慢了锂离子的通过速度，从而阻止了在电极上形成锂的树枝状结晶。
由美国能源部布鲁克黑文国家实验室领导的一个研究团队近日发现，当电池产生电流时，若电池的电极是由纳米粒子制成的，纳米粒子部分区域里的锂离子浓度会先上升，然后下降，而非此前一直认为的浓度会持续增加。
晶格是晶体内部的粒子按一定几何图形排列而成的结构。锂离子电池的工作原理是锂离子在正负极晶格间移动，充电时，锂离子从正极流到负极，放电时正相反。
“与海绵吸水类似，我们看到纳米粒子里锂离子的总浓度在不断增加，”主持该研究的布鲁克黑文国家实验室可持续能源技术部科学家王冯说，“但与水不同，锂离子会选择性地从某些区域流出，这造成晶格间锂离子浓度不一致。”
研究人员指出，锂离子进入晶格前，晶格的结构很均匀，一旦锂离子进入，就会拉伸晶格，当锂离子流出时，晶格又收缩了。锂离子的不均匀运动可能造成持久性损害，原因是它使电池内活性成分的结构变形，并可能导致电池疲劳失效。
研究人员推测这种现象也可能发生在其他高性能电池的化学物质中，该研究结果可有助于开发充电时间更短、待机时间更长的电池。
