從智能手機(jī)到電動汽車，鋰離子電池在許多電子產(chǎn)品中都扮演了至關(guān)重要的角色。可是，鋰離子電池的實際容量已越來越逼近其理論容量。不過，這一容量仍無法滿足人類需求。鋰金屬電池，作為一種能提供更高能量密度與容量的備選方案，受到了大家的廣泛關(guān)注。

首先，澄清一點(diǎn)，鋰金屬電池與鋰離子電池是兩個不同的概念。鋰離子電池（Lithiumionbattery,LIB），是指基于鋰離子在電解液中遷移而運(yùn)轉(zhuǎn)的電池，最常見是的采用石墨之類的材料作為負(fù)極（Anode）；鋰金屬電池（Lithiummetalbattery,LMB）是指采用金屬鋰作為負(fù)極材料的電池，與其相搭配的正極材料可以是氧氣、單質(zhì)硫、金屬氧化物等物質(zhì)。

那么，鋰金屬電池為什么沒和鋰離子電池一樣大規(guī)模商用呢？原因是主要是安全問題。簡單一點(diǎn)說，“罪魁禍?zhǔn)住本褪卿囍罹w，簡稱“鋰枝晶”或“枝晶”。外表上看，枝晶有點(diǎn)像“小石筍”，它從鋰金屬負(fù)極上自然地生長出來。隨著時間推移，枝晶會刺穿電池的電解質(zhì)芯到達(dá)正極，引起電池短路甚至起火。長期以來，鋰金屬電池一直被認(rèn)為是低效、不穩(wěn)定、甚至?xí)l(fā)火災(zāi)的。

然而，研究人員們一直在致力于解決鋰金屬電池中的“枝晶”問題。為此，筆者也曾介紹過兩個典型的科研案例：

1）美國特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊開發(fā)出一種抑制鋰金屬電池中鋰枝晶形成的方法。他們研究發(fā)現(xiàn)，目前嘗試抑制枝晶的形成與生長的技術(shù)幾乎都應(yīng)用了所謂的“保護(hù)傘”：在系統(tǒng)中引入一層有孔材料，阻礙在負(fù)極聚集的鋰枝晶生長。研究團(tuán)隊采用數(shù)據(jù)模型發(fā)現(xiàn)，多孔材料可抑制枝晶的形成與生長。采用該技術(shù)形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系統(tǒng)中形成的枝晶要短75%。

2）美國萊斯大學(xué)的科研人員的研究表明，超薄的納米管薄膜可有效地阻止“枝晶”生成。他們利用碳納米管制造出高性能、快速充電的鋰金屬電池，有望成為普通鋰離子電池的邏輯替代品。

創(chuàng)新

今天，筆者要再為大家介紹一個創(chuàng)新成果，它同樣也是解決鋰金屬電池中的“枝晶”問題。

近日，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究表明，更持久、更快充電、更安全的鋰金屬電池將成為可能。研究人員將他們的成果發(fā)表在《自然能源（NatureEnergy）》。

技術(shù)

近日，研究人員們開發(fā)出一種依附于電池陽極電鍍金屬的三維交聯(lián)聚合物海綿。這個項目的首席研究員、機(jī)械工程系教授DonghaiWang表示：“這個項目致力于開發(fā)下一代金屬電池。幾十年來，鋰金屬一直被試驗用于電池，但是有一些基本問題阻礙了他們的進(jìn)展。”在附加應(yīng)變條件下，例如電動汽車所需要的快速充電，鋰離子電池更容易形成枝晶。

Wang解釋道：“我們的方案是在鋰金屬界面上采用聚合物。”這種材料作為一種多孔海綿使用，不僅提升了鋰離子傳輸，同時也抑制了材料的惡化。

他說：“這使得電鍍金屬上不會形成晶枝，即使在溫度非常低以及快速充電的條件下。”

Wang表示：“一群人的合作真正地幫助推進(jìn)了這篇論文。它使得我們分別從材料科學(xué)、化學(xué)工程、化學(xué)和機(jī)械工程的角度，檢查這個問題的不同方面。”

在這項合作研究中，材料科學(xué)與工程系Long-QingChen的小組為這項工作進(jìn)行了建模，用于理解對于鋰金屬陽極材料的改善。

價值

研究人員稱，這項研究的實際應(yīng)用將是帶來更加強(qiáng)大與穩(wěn)定的金屬電池，這種金屬電池對日常生活來說是不可或缺的。

Wang表示：“在電動汽車中，它可以提高一次充電形勢的距離達(dá)幾百英里，也可以讓智能手機(jī)擁有更長的電池壽命。”

未來

展望未來，團(tuán)隊將開拓大幅面電池方面的實際應(yīng)用，從而論證它的優(yōu)勢和可行性。

Wang表示：“我們想要推動這些技術(shù)前進(jìn)。通過這項研究，我們樂觀地認(rèn)為我們將使這些鋰金屬電池的生命周期翻倍。”