現(xiàn)在，美國斯坦福大學(xué)研究人員的一項新研究為制造更好、更安全的鋰金屬電池指明了一條前進的道路。相關(guān)研究近日發(fā)表于《電化學(xué)學(xué)會雜志》。

更長壽的鋰電池

 與鋰離子電池相比，鋰金屬電池能儲存更多的能量，充電速度更快，重量也更輕。

 但到目前為止，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限。

 一個主要原因是“樹突”的形成——隨著鋰金屬在電池內(nèi)電極上積累而生長的薄的、金屬狀的樹狀結(jié)構(gòu)。這些枝晶會降低電池性能，并最終導(dǎo)致故障，在某些情況下，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。

 斯坦福大學(xué)的研究人員從理論角度來解決枝晶這一問題。他們開發(fā)了一個數(shù)學(xué)模型，可將涉及到“樹突”形成的物理和化學(xué)問題結(jié)合在一起。

 該模型提供了一種見解，即在新的電解質(zhì)（鋰離子在電池內(nèi)兩個電極之間移動的介質(zhì)）中交換一定的特性，可以減緩甚至完全阻止枝晶的生長。

 “我們的目的是服務(wù)于更長壽命的鋰金屬電池的設(shè)計?！痹撗芯康谝蛔髡?、斯坦福大學(xué)能源工程領(lǐng)域博士生WeiyuLi說，“我們的數(shù)學(xué)框架解釋了鋰金屬電池的關(guān)鍵化學(xué)和物理過程。”

 “這項研究提供了有關(guān)樹突形成條件的一些具體細節(jié)，以及抑制它們生長的潛在途徑?！痹搱蟾婀餐ㄓ嵶髡?、斯坦福大學(xué)地球、能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授HamdiTchelepi說。

阻止枝晶形成

長期以來，實驗人員一直努力了解導(dǎo)致枝晶形成的因素。但實驗室工作是勞動密集型的，很難解釋研究結(jié)果。為此，研究人員開發(fā)了電池內(nèi)部電場和鋰離子通過電解質(zhì)材料傳輸?shù)臄?shù)學(xué)表示，以及其他相關(guān)機制。

這樣，有研究結(jié)果在手，實驗人員可專注于物理上合理的材料和建筑組合?！跋Ｍ渌芯咳藛T可以利用我們的研究來設(shè)計具有正確性能的設(shè)備，并減少他們在實驗室中必須進行的反復(fù)試驗和實驗變化的范圍?！盩chelepi說。

具體來說，這項研究要求的電解質(zhì)設(shè)計新策略包括了解材料的各向異性，這意味著它們在不同的方向上表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。木材是典型的各向異性材料，其紋理的方向性非常強，很多時候可以看到木材的線條，而非紋理。

在各向異性電解質(zhì)的情況下，這些材料可以微調(diào)離子傳輸和界面化學(xué)之間的復(fù)雜相互作用，阻止枝晶的形成。研究人員指出，一些液晶和凝膠顯示出這些期望的特性。

該研究確定的另一種方法集中在電池隔板上——一種防止電池兩端電極接觸和短路的薄膜。他們表示可以設(shè)計出具有孔隙特征的新型隔板，使鋰離子以各向異性的方式在電解液中來回通過。

構(gòu)建“數(shù)字化身”

該團隊期待看到其他科研人員繼續(xù)研究他們給出的“線索”。接下來的步驟包括制造依賴新電解質(zhì)配方和電池架構(gòu)的設(shè)備，測試哪些可能被證明是有效、可擴展和經(jīng)濟的。

“總的來說，在復(fù)雜電池系統(tǒng)的材料設(shè)計和實驗驗證方面還要進行大量研究?！痹撗芯抗餐ㄓ嵶髡摺⑺固垢４髮W(xué)能源工程教授DanielTartakovsky說。

根據(jù)這些最新的研究結(jié)果，Tartakovsky和同事正在構(gòu)建一個成熟的鋰金屬電池系統(tǒng)（DABS）的虛擬代表——被稱為“數(shù)字化身”。

“這項研究是DABS的關(guān)鍵組成部分，我們的實驗室正在開發(fā)一種全面的‘數(shù)字化身’或鋰金屬電池的復(fù)制品?！盩artakovsky說，“有了DABS，我們將繼續(xù)提升這些有前途的儲能設(shè)備的技術(shù)水平。”（來源：中國科學(xué)報馮麗妃）