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隨著數字化智能設備和電動汽車市場的日益擴張，鋰金屬電池可以說是最有前途的高密度儲能技術之一。 然而，鋰金屬電池技術的一大壁壘是會出現不可控的鋰枝晶，並由此引起充電能力變差和安全隱患的問題。
鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽極或負極時表面生長出的針狀物，它會引起有害的副反應而降低能量密度，嚴重的甚至會導致電極短路而引發火災或爆炸。
日前，亞利桑那州立大學（Arizona State University）的一項新研究發現， 使用三維聚二甲基矽氧烷（PDMS）層作為電池中鋰金屬陽極的基體材料，能夠有效地抑制鋰枝晶的形成， 從而大大地延長電池壽命，減少安全隱患。 該研究於3月6日發表在最新的頂級期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。
論文的首席研究員姜漢卿（Hanqing Jiang）教授說， 這個發現對鋰離子（lithium-ion）電池和鋰空氣（lithium-air）電池都有意義，並且對其他金屬陽極電池也有很大的意義。 因為幾乎所有用作電池陽極的金屬都會產生枝狀晶體，比如，鋅、鈉和鋁電池等。
姜漢卿稱，他和研究團隊並不是從材料或電化學的角度來解決這個問題的， 而是從機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）在應力作用下會從錫金屬的表面伸出，因此通過類比，我們研究了應力作為鋰枝晶生長原因 的可能性。”
圖丨（a）電鍍鋰層過程中形成的壓應力使得PDMS基底上的銅層產生褶皺變形；（b）PDMS基底的褶皺變形使得鋰層中的應力得到釋放，從而抑制枝晶的形成；（ c）沒有柔性PDMS基底的應力釋放作用，鋰金屬表面形成枝狀晶體
在第一輪研究中，研究者在電池的陽極底部加了一層柔性PDMS，發現鋰枝晶的生長有明顯的減少。 研究者的分析表明，金屬鋰電極中累積的應力被PDMS基底以褶皺變形的形式所釋放，而這種枝晶減少的趨勢與此應力釋放直接相關。
“這是首次從實驗上證明了殘餘應力在鋰枝晶的形成中起著關鍵作用”， 姜漢卿說。
圖丨三維多孔鍍銅PDMS基體的製作過程
除了研究鋰枝晶的生長機制外，姜漢卿團隊又進一步研究瞭如何利用這種現象（應力釋放減少枝晶生長）來延長鋰金屬電池的壽命，同時還保持高能量密度。
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構。 “利用一塊內部含有大量小孔的方糖作為模板，PDMS進入方糖內部的孔隙中，形成一個連續的網絡狀基底，再鍍一層薄薄的銅層以傳導電子。最後，再用鋰金屬 充滿這些孔隙。PDMS作為一種多孔的海綿狀層，能夠有效減輕應力並抑制枝晶生長”， 姜漢卿解釋說。
該研究小組成員之一、萊斯大學（Rice University）的Ming Tang教授說：“通過與其他抑制鋰枝晶的方法相結合，比如新的電解液添加劑，這一發現對於使鋰金屬電池成為一 種安全、高密度、長期儲存能量的解決方案具有廣泛的意義。這種技術的潛在應用範圍非常廣泛，從個人電子設備供電，到為電動汽車提供超長時動力，再到作為太陽能電網的備用 電源。”
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編輯：李小李
參考：
Xu Wang et al. Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates, Nature Energy (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0104-5
