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科学家以糖为阳极基底发现可减少锂电池枝晶形成

2018-03-14

中国电源产业网

导语：

糖或许是人类健康杀手，但它如今也被科学家用来当作防止锂金属电池阳极枝晶生成的基底材料，为下一代高能量密度候选代表锂金属电池的主要障碍提出了解决方法。

科学家已经注意到，锂电池中的枝晶(dendrites)与出现在金属中的晶须相似。枝晶是由于电池电极表面锂沉积不均匀而形成，会造成电池容量损失、充放电效率降低、短路等问题；晶须(whisker)则是出现在电子元件中的一种现象，20世纪初真空管时期，科学家用纯锡或接近纯锡的合金作为焊料，而在有焊料的焊点上会长出晶须造成短点。

最重要的是，研究合著者/莱斯大学材料科学与纳米工程助理教授Ming Tang说，科学家知道晶须在有压应力(compressive stress)的情形下出现，却对电池循环过程中锂金属镀层也会引起压应力的机制不甚理解，而压应力与锂电池阳极的树突形成脱不了关系。虽然晶须像直线，枝晶更蜿蜒些，但两者形成机制是相似的。

基于这种理解，研究人员首先模拟在平面电镀软金属期间产生的压应力，以显示锂枝晶如何生长，实验表明，将锂金属涂覆在平坦基底上会使锂无处可去，于是它改以枝晶形式出现。

与锡相比，锂的熔点更低(180.5°C)，也就是说锂原子在室温下更具流动性，如果有压力，原子更乐意移动，这就是为什么我们可以在数小时甚至几分钟内就看到树突形成的原因。

为了解决这项问题，团队找出一种能帮助抑制锂枝晶生成的技术，糖就在这里发挥角色功能。研究人员将糖块与一种液态硅胶聚二甲基矽氧烷(PDMS)一起注入基底，然后将糖溶解，留下只剩软硅胶的三维多孔结构，就像一块可能会塌陷变形的海绵，接着覆盖一层薄铜层以传导电子，最后用锂金属填充空洞。(Source：莱斯大学)

团队于这种基底上测试，发现枝晶生长显著减少，这是因为糖溶解后，像“皱纹”的基底缓解了锂金属内部累积的压应力，电池测试也拥有200次循环后仍接近98％的库仑效率。研究目前还在持续进行，团队将对电池进行些许调整，以了解这种技术的电池是否能赶上商用门槛。论文发布在《自然-能源(nature energy)》期刊。

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