利用碳纳米管制造出高性能、快速充电的锂金属电池

背景

从智能手机到笔记本电脑再到电动汽车，几乎所有的电子设备都离不开锂离子电池。然而，锂离子电池现在所达到的实际容量，已经越来越逼近其理论容量了，可是这个容量仍然无法满足人们的需求。为了提升锂电池的能量密度和容量，锂金属电池备受大家瞩目。

顾名思义，锂金属电池，采用锂金属作为电池负极部分。在充电和放电时，锂电池中的离子来回穿过电解质的负电极和正电极。石墨通常用于当今锂离子电池的负极。然而，锂金属电池通过用锂金属取代石墨，可以储存更多的能量。

然而，安全性问题严重阻碍了锂金属电池的商用。简单说，这个问题就是锂枝状晶体，简称“锂枝晶”或“枝晶”。外表上看，枝晶有点像“小石笋”。它从电池中无保护的锂金属负极上自然地长出。随着时间推移，这些像触须一般的枝晶会刺穿电池的电解质芯，最终到达正极，引起电池短路甚至起火。所以，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，科学家们一直在致力于解决这个问题。例如，笔者曾介绍过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，全世界的各个研究小组都在尝试不同的技术抑制锂枝晶的形成与生长。然而，几乎所有这些技术都应用了所谓的“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。通过采用数据模型，研究团队发现多孔材料可抑制枝晶的形成与生长。采用这项技术形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系统中形成的枝状晶体要短75%。

创新

近日，莱斯大学化学家JamesTour的实验室展示了超薄的纳米管薄膜，可以有效地阻止“枝晶”的生成。他们利用碳纳米管制造出高性能、快速充电的锂金属电池，作为普通锂离子电池的逻辑替代品。

经过500次充放电循环测试后，锂金属负极的显微图像。在左边的图案中，莱斯大学展示了，通过碳纳米管薄膜的保护，晶枝在负极的生长得到了抑制。然而，在右边的图案中，未经保护的锂金属负极显示出晶枝生长的迹象。（图片来源：Tour的研究小组）

Tour表示：“减缓锂离子电池中生成晶枝的一种办法就是，限制它们的充电速度。可是，人们不喜欢这么做。他们想要更快速地充电。”

莱斯大学团队的方法于发表在《先进材料（AdvancedMaterials）》期刊上的论文中得到了详细描述。Tour称，这个方法可以简单、便宜、高效地阻止晶枝生长。

左：莱斯大学化学家JamesTour，中：研究生GladysLópez-Silv，右：博士后研究员RodrigoSalvatierra采用碳纳米管抑制锂金属电池中的晶枝生长。这种锂金属电池比现有的锂离子电池充电速度更快，含有的能量更多。

技术

他说：“我们所做的非常简单。你只需要为锂金属薄片涂上一层多壁碳纳米管薄膜。锂渗透进纳米管薄膜，薄膜从黑色变成红色，并相应地散发出锂离子。”

莱斯大学科学家们探索出多壁碳纳米管膜可以抑制锂金属基电池中的晶枝生长。（图片来源：Tour的研究小组）

莱斯大学研究生GladysLópez-Silva手持具有碳纳米管薄膜的锂金属阴极。一旦薄膜粘贴上之后，它会被锂离子渗透而变成红色。（图片来源：JeffFitlow）

莱斯大学博士后研究员、与研究生GladysLópez-Silva一同作为论文领导作者的RodrigoSalvatierra表示：“锂金属的物理接触弱化了纳米管薄膜，但是通过增加锂离子平衡了它。离子通过纳米管薄膜分散开来。”

当使用电池的时候，薄膜排放出存储的离子，其下方的锂负极重新装满它，使得薄膜阻止晶枝生长的能力得以保持。

这幅图展示了莱斯大学开发的锂金属阴极是如何通过碳纳米管薄膜抑制晶枝形成的。（图片来源：Tour的研究小组）

价值

这种纠缠的纳米管薄膜，配合实验室在之前实验中开发的硫化碳阳极，可以跨越测试电池的580次充放电循环，有效地阻止晶枝生长。研究人员报告称，全锂金属电池保持了99.8%的库伦效率，库伦效率描述了电子在电化学系统中运动的情况有多好。