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有前途的高密度儲(chǔ)能技術(shù)之。然而，鋰金屬電池技術(shù)的大壁壘是會(huì)出現(xiàn)不可控的鋰枝晶，并由此引起充電能力變差和安隱患的問題。

  
  鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽(yáng)或負(fù)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)的基體材料，能夠有地抑制鋰枝晶的形成，從而大大地延長(zhǎng)電池壽命，減少安隱患。該研究于3月6日發(fā)表在的期刊《自然?能源》（NatureEnergy）上。
  
  論文的研究員姜漢卿（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)電池也有很大的意義。因?yàn)閹缀跛杏米麟姵仃?yáng)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。”
  
  在輪研究中，研究者在電池的陽(yáng)底部加了層柔性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)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，形成個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀基底，再鍍層薄薄的銅層以傳導(dǎo)電子。，再用鋰金屬充滿這些孔隙。PDMS作為種多孔的海綿狀層，能夠有減輕應(yīng)力并抑制枝晶生長(zhǎng)”，姜漢卿解釋說。
  
  該研究小組成員之、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，這發(fā)現(xiàn)對(duì)于使鋰金屬電池成為種安、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)汽車提供超長(zhǎng)時(shí)動(dòng)力，再到作為太陽(yáng)能電網(wǎng)的備用電源。”