背景

從智能手機(jī)到筆記本電腦再到電動(dòng)汽車(chē)，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開(kāi)鋰離子電池。然而，鋰離子電池現(xiàn)在所達(dá)到的實(shí)際容量，已經(jīng)越來(lái)越逼近其理論容量了，可是這個(gè)容量仍然無(wú)法滿足人們的需求。為了提升鋰電池的能量密度和容量，鋰金屬電池備受大家矚目。

顧名思義，鋰金屬電池，采用鋰金屬作為電池負(fù)極部分。在充電和放電時(shí)，鋰電池中的離子來(lái)回穿過(guò)電解質(zhì)的負(fù)電極和正電極。石墨通常用于當(dāng)今鋰離子電池的負(fù)極。然而，鋰金屬電池通過(guò)用鋰金屬取代石墨，可以?xún)?chǔ)存更多的能量。

然而，安全性問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的商用。簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題就是鋰枝狀晶體，簡(jiǎn)稱(chēng)“鋰枝晶”或“枝晶”。外表上看，枝晶有點(diǎn)像“小石筍”。它從電池中無(wú)保護(hù)的鋰金屬負(fù)極上自然地長(zhǎng)出。隨著時(shí)間推移，這些像觸須一般的枝晶會(huì)刺穿電池的電解質(zhì)芯，最終到達(dá)正極，引起電池短路甚至起火。所以，鋰金屬電池一直被認(rèn)為是低效、不穩(wěn)定、甚至?xí)l(fā)火災(zāi)的。

然而，科學(xué)家們一直在致力于解決這個(gè)問(wèn)題。例如，筆者曾介紹過(guò)美國(guó)特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出一種抑制鋰金屬電池中鋰枝晶形成的方法。

他們研究發(fā)現(xiàn)，全世界的各個(gè)研究小組都在嘗試不同的技術(shù)抑制鋰枝晶的形成與生長(zhǎng)。然而，幾乎所有這些技術(shù)都應(yīng)用了所謂的“保護(hù)傘”：在系統(tǒng)中引入一層有孔材料，阻礙在負(fù)極聚集的鋰枝晶生長(zhǎng)。通過(guò)采用數(shù)據(jù)模型，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多孔材料可抑制枝晶的形成與生長(zhǎng)。采用這項(xiàng)技術(shù)形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系統(tǒng)中形成的枝狀晶體要短75%。

創(chuàng)新

近日，萊斯大學(xué)化學(xué)家JamesTour的實(shí)驗(yàn)室展示了超薄的納米管薄膜，可以有效地阻止“枝晶”的生成。他們利用碳納米管制造出高性能、快速充電的鋰金屬電池，作為普通鋰離子電池的邏輯替代品。

經(jīng)過(guò)500次充放電循環(huán)測(cè)試后，鋰金屬負(fù)極的顯微圖像。在左邊的圖案中，萊斯大學(xué)展示了，通過(guò)碳納米管薄膜的保護(hù)，晶枝在負(fù)極的生長(zhǎng)得到了抑制。然而，在右邊的圖案中，未經(jīng)保護(hù)的鋰金屬負(fù)極顯示出晶枝生長(zhǎng)的跡象。（圖片來(lái)源：Tour的研究小組）

Tour表示：“減緩鋰離子電池中生成晶枝的一種辦法就是，限制它們的充電速度。可是，人們不喜歡這么做。他們想要更快速地充電。”

萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的方法于發(fā)表在《先進(jìn)材料（AdvancedMaterials）》期刊上的論文中得到了詳細(xì)描述。Tour稱(chēng)，這個(gè)方法可以簡(jiǎn)單、便宜、高效地阻止晶枝生長(zhǎng)。

左：萊斯大學(xué)化學(xué)家JamesTour，中：研究生GladysLópez-Silv，右：博士后研究員RodrigoSalvatierra采用碳納米管抑制鋰金屬電池中的晶枝生長(zhǎng)。這種鋰金屬電池比現(xiàn)有的鋰離子電池充電速度更快，含有的能量更多。

技術(shù)

他說(shuō)：“我們所做的非常簡(jiǎn)單。你只需要為鋰金屬薄片涂上一層多壁碳納米管薄膜。鋰滲透進(jìn)納米管薄膜，薄膜從黑色變成紅色，并相應(yīng)地散發(fā)出鋰離子。”

萊斯大學(xué)科學(xué)家們探索出多壁碳納米管膜可以抑制鋰金屬基電池中的晶枝生長(zhǎng)。（圖片來(lái)源：Tour的研究小組）

萊斯大學(xué)研究生GladysLópez-Silva手持具有碳納米管薄膜的鋰金屬陰極。一旦薄膜粘貼上之后，它會(huì)被鋰離子滲透而變成紅色。（圖片來(lái)源：JeffFitlow）

萊斯大學(xué)博士后研究員、與研究生GladysLópez-Silva一同作為論文領(lǐng)導(dǎo)作者的RodrigoSalvatierra表示：“鋰金屬的物理接觸弱化了納米管薄膜，但是通過(guò)增加鋰離子平衡了它。離子通過(guò)納米管薄膜分散開(kāi)來(lái)。”

當(dāng)使用電池的時(shí)候，薄膜排放出存儲(chǔ)的離子，其下方的鋰負(fù)極重新裝滿它，使得薄膜阻止晶枝生長(zhǎng)的能力得以保持。

這幅圖展示了萊斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的鋰金屬陰極是如何通過(guò)碳納米管薄膜抑制晶枝形成的。（圖片來(lái)源：Tour的研究小組）

價(jià)值

這種糾纏的納米管薄膜，配合實(shí)驗(yàn)室在之前實(shí)驗(yàn)中開(kāi)發(fā)的硫化碳陽(yáng)極，可以跨越測(cè)試電池的580次充放電循環(huán)，有效地阻止晶枝生長(zhǎng)。研究人員報(bào)告稱(chēng)，全鋰金屬電池保持了99.8%的庫(kù)倫效率，庫(kù)倫效率描述了電子在電化學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的情況有多好。