隨著攜帶型電子設備及電動汽車的快速發展, 人們除了追求鋰電池的大容量和充放電速度外, 更關心的是鋰電池的安全性. 屢屢發生的鋰電池爆炸事件難免讓人神經緊繃. 從科學層面而言, 鋰電池爆炸的原因通常是電極表面鋰沉積不均勻導致 '枝晶' (dendrites) 生長, 使得電池的充放電效率降低, 甚至電池內部出現短路, 從而引發電池故障或安全隱患.
科學家們都在試圖找到解決方案. 日前, 中國學者提出採用一種微球 (microspheres) 結構捕獲鋰, 來限制鋰沉積和抑制枝晶生長 (dendrite growth) .
由於枝晶生長受到抑制, 所以在經過200多次充放電後, 電極仍能保持99%的高電鍍/剝離效率, 這不僅有助於延長鋰電池的壽命, 也可有效提高安全性.
上述研究來自中科院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室的研究員郭玉國的研究團隊. 該研究已於日前在美國化學學會期刊的《納米快報》 (Nano Letters) 上發表.
圖片來自郭玉國等人在Nano Letters上發表的論文
郭玉國團隊提出的具體方法是, 通過微球結構 (microsphere) 來俘獲鋰, 以限制其沉積並抑制枝晶生長. 其所製備的微球為碳納米管和多孔二氧化矽保護層的複合材料, 實驗證明, 這種結構的複合材料對於控制鋰沉積行為是十分有效的. 另外, 絕緣塗層還可防止電子集中流動並減少形成 '熱點' 的可能性.
據了解, 郭少軍課題組通過借鑒自然界中蟻穴結構能夠快速交換空氣的特點, 設計出了一種有特殊官能團修飾的二氧化矽為骨架的離子凝膠電解質. 這種仿生離子凝膠電解質具有快速傳輸鋰離子的能力, 而且能夠在金屬鋰負極表面自發地形成顆粒富集層, 從而有效地抑制鋰枝晶的生長. 該成果為利用仿生概念設計高性能的金屬鋰電池提供了一種新思路.
郭玉國團隊認為, 此研究為鋰金屬電極的設計提供了新的思路, 可加快鋰電池的實際應用.
此前, 在解決鋰電池這一安全問題時, 業內多採用的是電解液添加劑, 穩定的界面以及修飾電極等多種方式. 有實驗證明, 採用架構調整鋰枝晶積聚是最高效的方式.
北京大學工學院郭少軍課題組和北京理工大學陳人傑課題組曾共同提出了通過 '蟻穴' 結構固態電解質抑制鋰枝晶的方法. 該團隊的研究論文於2017年6月在國際學術刊物《能源與環境科學》 (Energy & Environmental Science) 上正式發表.
