如何才能使锂电池延长寿命并提升安全性？

随着数字化智能设备和电动汽车市场的日益扩张，锂金属电池可以说是最有前途的高密度储能技术之一。然而，锂金属电池技术的一大壁垒是会出现不可控的锂枝晶，并由此引起充电能力变差和安全隐患的问题。

 

锂枝晶指的是锂金属在用作电池的阳极或负极时表面生长出的针状物，它会引起有害的副反应而降低能量密度，严重的甚至会导致电极短路而引发火灾或爆炸。

 

日前，亚利桑那州立大学（Arizona State University）的一项新研究发现，使用三维聚二甲基硅氧烷（PDMS）层作为电池中锂金属阳极的基体材料，能够有效地抑制锂枝晶的形成，从而大大地延长电池寿命，减少安全隐患。该研究于3月6日发表在最新的顶级期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。

 

论文的首席研究员姜汉卿（Hanqing Jiang）教授说，这个发现对锂离子（lithium-ion）电池和锂空气（lithium-air）电池都有意义，并且对其他金属阳极电池也有很大的意义。因为几乎所有用作电池阳极的金属都会产生枝状晶体，比如，锌、钠和铝电池等。

 

他和研究团队并不是从材料或电化学的角度来解决这个问题的，而是从机械工程师的角度来寻找解决方案。他说，“已知的研究表明，微小的锡针或锡须（类似枝状晶体）在应力作用下会从锡金属的表面伸出，因此通过类比，我们研究了应力作为锂枝晶生长原因的可能性。”

 

电镀锂层过程中形成的压应力使得PDMS基底上的铜层产生褶皱变形；（b）PDMS基底的褶皱变形使得锂层中的应力得到释放，从而抑制枝晶的形成；（c）没有柔性PDMS基底的应力释放作用，锂金属表面形成枝状晶体

 

在第一轮研究中，研究者在电池的阳极底部加了一层柔性PDMS，发现锂枝晶的生长有明显的减少。研究者的分析表明，金属锂电极中累积的应力被PDMS基底以褶皱变形的形式所释放，而这种枝晶减少的趋势与此应力释放直接相关。

 

“这是首次从实验上证明了残余应力在锂枝晶的形成中起着关键作用”，姜汉卿说。

 

除了研究锂枝晶的生长机制外，姜汉卿团队又进一步研究了如何利用这种现象（应力释放减少枝晶生长）来延长锂金属电池的寿命，同时还保持高能量密度。

 

研究者提出的方法是将PDMS基体做成具备很多表面的三维结构。“利用一块内部含有大量小孔的方糖作为模板，PDMS进入方糖内部的孔隙中，形成一个连续的网络状基底，再镀一层薄薄的铜层以传导电子。最后，再用锂金属充满这些孔隙。PDMS作为一种多孔的海绵状层，能够有效减轻应力并抑制枝晶生长”，在过去的三十年里，锂离子电池，一种将锂离子来回移动到充电和放电的可充电电池，使得小型设备的充电速度更快，持续时间更长。由SLAC的斯坦福材料与能源科学研究所的教员、斯坦福材料科学教授威廉·崔领导的一个国际研究小组今天发表了这些发现。天然材料.“以前，它有点像一个黑匣子，”麻省理工学院教授、这项研究的另一位负责人马丁·巴赞(MartinBazant)说。“你可以看到材料工作得很好，某些添加剂似乎也有帮助，但你不能确切地知道锂离子在这个过程的每一步都会往哪里走。”你只能尝试发展一种理论，并从测量中倒退。有了新的仪器和测量技术，我们开始对这些东西的工作原理有了更严格的科学理解。“爆米花效应任何乘坐过电动巴士、使用过电动工具或使用过无绳真空的人，都有可能从他们研究的电池材料中获益，磷酸铁锂。它也可以用于汽车的启动-停止功能与内燃机和储存风能和太阳能的电网。更好地理解这种材料和其他类似材料可能会导致更快的充电，更长的寿命和更耐用的电池。但直到最近，研究人员还只能猜测能让它发挥作用的机制。当锂离子电池充放电时，锂离子从液体溶液中流入固体储藏室。但是一旦进入固体，锂就会重新排列，有时导致材料分裂成两个不同的相，就像油和水混合在一起时分开一样。这就造成了觉悟所谓的“爆米花效应”。离子聚集在一起，形成热点，从而缩短电池寿命。