科學家發現可有效避免鋰電池枝晶生成問題的方法

透過石墨代替高密度純金屬鋰，科學家們有望顯著提升電池技術的性能，但當前仍有一些障礙需要克服。不過德國耶拿大學的科學家們，已經展示了一種微調的碳膜技術。即便經歷了數百次循環充電，它仍能夠防止鋰電池因枝晶而導致故障。 

熟悉鋰電池技術發展的朋友，一定不會對枝晶這種針狀結構感到陌生。儘管鋰金屬電池的儲能潛力是當前鋰離子電池的 10 倍，但在充放電過程中，鋰離子會在電池兩極間來回移動，並讓鋰原子在電極上積聚。

一段時間過後，被稱作枝晶的尖刺就會戳破電晶隔板，導致電池遭遇短路和故障。

▲ 研究配圖 - 1：碳納米膜塗層在 Ceigard 隔膜上的合成與轉移

迄今為止，世界上已有相當多的研究團隊，在防止枝晶生成這件事上傾注了大量的心力。

而為了讓鋰金屬電池一步步走向現實，我們已經見到瞭解決這個問題的各種創造性的潛在解決方案 —— 比如使用超薄鋰、奈米管薄膜、以及自組裝保護層。

▲ 研究配圖 - 2：電池恆流 / 不同時間間隔下的縮放電壓曲線

這項新研究的作者，試圖透過使用帶有微調孔的新型碳膜來對抗枝晶的生成，而這種碳膜能夠以正確的方式來影響離子的輸送。

耶拿大學的 Andrey Turchanin 教授解釋稱：「這就是我們在隔膜上應用由碳製成的極薄二維膜的原因」。

▲ 研究配圖 - 3：鋰在銅箔上電沉積的過程示意

教授稱，這種碳膜的孔徑小於 1 奈米。由於開口小於臨界核尺寸，因而能夠防止枝晶形成。此時鋰無法形成枝晶結構，而是作為光滑的薄膜，而沉積在陽極上。

在對這種電池設計展開對比測試之後，研究團隊發現其壽命較無保護膜的電池延長了一倍，且在數百次充電循環中沒有出現枝晶生長的跡象。

▲ 研究配圖 - 4：模擬離子輸送與枝晶生長的通道尺寸

科學家們認為，這將是通向下一代鋰電池的重要一步，並且已經申請了相關專利，現正研究如何將這種碳膜引入實際的電池製造過程。

參與這項研究的華盛頓州立大學研究生 Sathish Rajendran 表示：「與電池的其它組件相比，隔膜材料的關注度一直偏少。而新研究展示的奈米級二維膜，已經對電池壽命產生了讓人著迷的影響力」。

▲ 研究配圖 - 5：鋰電池循環性能分析有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的Advanced Energy Materials期刊上。