隨著數(shù)字化智能設(shè)備和電動(dòng)汽車市場(chǎng)的日益擴(kuò)張，鋰金屬電池可以說是最有前途的高密度儲(chǔ)能技術(shù)之一。然而，鋰金屬電池技術(shù)的一大壁壘是會(huì)出現(xiàn)不可控的鋰枝晶，并由此引起充電能力變差和安全隱患的問題。

鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽(yáng)極或負(fù)極時(shí)表面生長(zhǎng)出的針狀物，它會(huì)引起有害的副反應(yīng)而降低能量密度，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致電極短路而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。

日前，亞利桑那州立大學(xué)（ArizonaStateUniversity）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(yáng)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(zhǎng)電池壽命，減少安全隱患。該研究于三月六日發(fā)表在最新的頂級(jí)期刊《自然·能源》（NatureEnergy）上。

論文的首席研究員姜漢卿（HanqingJiang）教授說，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)鋰離子（lithium-ion）電池和鋰空氣（lithium-air）電池都有意義，并且對(duì)其他金屬陽(yáng)極電池也有很大的意義。因?yàn)閹缀跛杏米麟姵仃?yáng)極的金屬都會(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。

圖丨（a）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(yáng)極底部加了一層柔性PDMS，發(fā)現(xiàn)鋰枝晶的生長(zhǎng)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(shì)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。

圖丨三維多孔鍍銅PDMS基體的制作過程

除了研究鋰枝晶的生長(zhǎng)機(jī)制外，姜漢卿團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)）來延長(zhǎng)鋰金屬電池的壽命，同時(shí)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(gè)持續(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(zhǎng)，姜漢卿解釋說。

該研究小組成員之一、萊斯大學(xué)（RiceUniversity）的MingTang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)關(guān)于使鋰金屬電池成為一種安全、高密度、長(zhǎng)期儲(chǔ)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(gè)人電子設(shè)備供電，到為電動(dòng)汽車供應(yīng)超長(zhǎng)時(shí)動(dòng)力，再到作為太陽(yáng)能電網(wǎng)的備用電源。