随着便携式电子设备及电动汽车的快速发展, 人们除了追求锂电池的大容量和充放电速度外, 更关心的是锂电池的安全性. 屡屡发生的锂电池爆炸事件难免让人神经紧绷. 从科学层面而言, 锂电池爆炸的原因通常是电极表面锂沉积不均匀导致 '枝晶' (dendrites) 生长, 使得电池的充放电效率降低, 甚至电池内部出现短路, 从而引发电池故障或安全隐患.
科学家们都在试图找到解决方案. 日前, 中国学者提出采用一种微球 (microspheres) 结构捕获锂, 来限制锂沉积和抑制枝晶生长 (dendrite growth) .
由于枝晶生长受到抑制, 所以在经过200多次充放电后, 电极仍能保持99%的高电镀/剥离效率, 这不仅有助于延长锂电池的寿命, 也可有效提高安全性.
上述研究来自中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室的研究员郭玉国的研究团队. 该研究已于日前在美国化学学会期刊的《纳米快报》 (Nano Letters) 上发表.
图片来自郭玉国等人在Nano Letters上发表的论文
郭玉国团队提出的具体方法是, 通过微球结构 (microsphere) 来俘获锂, 以限制其沉积并抑制枝晶生长. 其所制备的微球为碳纳米管和多孔二氧化硅保护层的复合材料, 实验证明, 这种结构的复合材料对于控制锂沉积行为是十分有效的. 另外, 绝缘涂层还可防止电子集中流动并减少形成 '热点' 的可能性.
据了解, 郭少军课题组通过借鉴自然界中蚁穴结构能够快速交换空气的特点, 设计出了一种有特殊官能团修饰的二氧化硅为骨架的离子凝胶电解质. 这种仿生离子凝胶电解质具有快速传输锂离子的能力, 而且能够在金属锂负极表面自发地形成颗粒富集层, 从而有效地抑制锂枝晶的生长. 该成果为利用仿生概念设计高性能的金属锂电池提供了一种新思路.
郭玉国团队认为, 此研究为锂金属电极的设计提供了新的思路, 可加快锂电池的实际应用.
此前, 在解决锂电池这一安全问题时, 业内多采用的是电解液添加剂, 稳定的界面以及修饰电极等多种方式. 有实验证明, 采用架构调整锂枝晶积聚是最高效的方式.
北京大学工学院郭少军课题组和北京理工大学陈人杰课题组曾共同提出了通过 '蚁穴' 结构固态电解质抑制锂枝晶的方法. 该团队的研究论文于2017年6月在国际学术刊物《能源与环境科学》 (Energy & Environmental Science) 上正式发表.
