美国宾夕法尼亚州立大学的新研究表明有望打造更安全持久的锂金属电池

从智能手机到电动汽车，锂离子电池在许多电子产品中都扮演了至关重要的角色。可是，锂离子电池的实际容量已越来越逼近其理论容量。不过，这一容量仍无法满足人类需求。锂金属电池，作为一种能提供更高能量密度与容量的备选方案，受到了大家的广泛关注。

首先，澄清一点，锂金属电池与锂离子电池是两个不同的概念。锂离子电池（Lithiumionbattery,LIB），是指基于锂离子在电解液中迁移而运转的电池，最常见是的采用石墨之类的材料作为负极（Anode）；锂金属电池（Lithiummetalbattery,LMB）是指采用金属锂作为负极材料的电池，与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物等物质。

那么，锂金属电池为什么没和锂离子电池一样大规模商用呢？原因是主要是安全问题。简单一点说，“罪魁祸首”就是锂枝状晶体，简称“锂枝晶”或“枝晶”。外表上看，枝晶有点像“小石笋”，它从锂金属负极上自然地生长出来。随着时间推移，枝晶会刺穿电池的电解质芯到达正极，引起电池短路甚至起火。长期以来，锂金属电池一直被认为是低效、不稳定、甚至会引发火灾的。

然而，研究人员们一直在致力于解决锂金属电池中的“枝晶”问题。为此，笔者也曾介绍过两个典型的科研案例：

1）美国特拉华大学领导的国际科研团队开发出一种抑制锂金属电池中锂枝晶形成的方法。他们研究发现，目前尝试抑制枝晶的形成与生长的技术几乎都应用了所谓的“保护伞”：在系统中引入一层有孔材料，阻碍在负极聚集的锂枝晶生长。研究团队采用数据模型发现，多孔材料可抑制枝晶的形成与生长。采用该技术形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系统中形成的枝晶要短75%。

2）美国莱斯大学的科研人员的研究表明，超薄的纳米管薄膜可有效地阻止“枝晶”生成。他们利用碳纳米管制造出高性能、快速充电的锂金属电池，有望成为普通锂离子电池的逻辑替代品。

创新

今天，笔者要再为大家介绍一个创新成果，它同样也是解决锂金属电池中的“枝晶”问题。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究表明，更持久、更快充电、更安全的锂金属电池将成为可能。研究人员将他们的成果发表在《自然能源（NatureEnergy）》。

技术

近日，研究人员们开发出一种依附于电池阳极电镀金属的三维交联聚合物海绵。这个项目的首席研究员、机械工程系教授DonghaiWang表示：“这个项目致力于开发下一代金属电池。几十年来，锂金属一直被试验用于电池，但是有一些基本问题阻碍了他们的进展。”在附加应变条件下，例如电动汽车所需要的快速充电，锂离子电池更容易形成枝晶。

Wang解释道：“我们的方案是在锂金属界面上采用聚合物。”这种材料作为一种多孔海绵使用，不仅提升了锂离子传输，同时也抑制了材料的恶化。

他说：“这使得电镀金属上不会形成晶枝，即使在温度非常低以及快速充电的条件下。”

Wang表示：“一群人的合作真正地帮助推进了这篇论文。它使得我们分别从材料科学、化学工程、化学和机械工程的角度，检查这个问题的不同方面。”

在这项合作研究中，材料科学与工程系Long-QingChen的小组为这项工作进行了建模，用于理解对于锂金属阳极材料的改善。

价值

研究人员称，这项研究的实际应用将是带来更加强大与稳定的金属电池，这种金属电池对日常生活来说是不可或缺的。

Wang表示：“在电动汽车中，它可以提高一次充电形势的距离达几百英里，也可以让智能手机拥有更长的电池寿命。”

未来

展望未来，团队将开拓大幅面电池方面的实际应用，从而论证它的优势和可行性。

Wang表示：“我们想要推动这些技术前进。通过这项研究，我们乐观地认为我们将使这些锂金属电池的生命周期翻倍。”