锂电池的寿命如何延长并提升安全性？
来源：宝鄂实业
2019-07-19 13:24
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日前，中国学者提出采用一种微球（microspheres）结构捕获锂，来限制锂沉积和抑制枝晶生长（dendrite growth）。
由于枝晶生长受到抑制，所以在经过200多次充放电后，电极仍能保持99%的高电镀/剥离效率，这不仅有助于延长锂电池的寿命，也可有效提高安全性。
上述研究来自中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室的研究员郭玉国的研究团队。该研究已于日前在美国化学学会期刊的《纳米快报》（Nano Letters）上发表。
郭玉国团队提出的具体方法是，通过微球结构（microsphere）来俘获锂，以限制其沉积并抑制枝晶生长。其所制备的微球为碳纳米管和多孔二氧化硅保护层的复合材料，实验证明，这种结构的复合材料对于控制锂沉积行为是十分有效的。另外，绝缘涂层还可防止电子集中流动并减少形成“热点”的可能性。
据了解，郭少军课题组通过借鉴自然界中蚁穴结构能够快速交换空气的特点，设计出了一种有特殊官能团修饰的二氧化硅为骨架的离子凝胶电解质。这种仿生离子凝胶电解质具有快速传输锂离子的能力，而且能够在金属锂负极表面自发地形成颗粒富集层，从而有效地抑制锂枝晶的生长。该成果为利用仿生概念设计高性能的金属锂电池提供了一种新思路。
郭玉国团队认为，此研究为锂金属电极的设计提供了新的思路，可加快锂电池的实际应用。
此前，在解决锂电池这一安全问题时，业内多采用的是电解液添加剂、稳定的界面以及修饰电极等多种方式。有实验证明，采用架构调整锂枝晶积聚是最高效的方式。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。
姜汉卿称，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”， 姜汉卿解释说。
该研究小组成员之一、莱斯大学（Rice University）的Ming Tang教授说：“通过与其他抑制锂枝晶的方法相结合，比如新的电解液添加剂，这一发现对于使锂金属电池成为一种安全、高密度、长期储存能量的解决方案具有广泛的意义。这种技术的潜在应用范围非常广泛，从个人电子设备供电，到为电动汽车提供超长时动力，再到作为太阳能电网的备用电源。”
