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圖片來源：岡山大學

 

      鋰離子電池是非常常見的可充電電池，功能多樣，且可應用于手機、汽車等各種電子設備中。不過，它也有缺點，與鋰離子電池有關的起火事件頻發，也引起人們對其是否具有安全性產生擔憂。現在，科學家們了解到，可能是因采用了破損或未經授權的充電器造成起火事件。通常，充電器使用不當以及電池過度充電就會導致電池的負極上形成一種尖尖的結構，稱為“鋰枝晶”（樹突），能夠穿破負極與正極之間的屏障，導致電池短路。因此，準確地了解到此類樹突是如何形成的，對于提高鋰離子電池的安全性至關重要。

 

      據外媒報道，日本岡山大學（Okayama University）的科學家在副教授Kazuma Gotoh的帶領下，在了解樹突如何形成方面邁出了重要一步。他們研究了鋰離子電池中樹突形成的確切機制，并克服此類限制，從而讓鋰離子電池能夠更好地得到實際應用。

 

      此前有關理解鋰枝晶（樹突）形成過程的研究在一定程度上是成功的：揭示了當電池過度充電時，在電池循環的過度鋰化階段，就會形成樹突。但是，此類實驗都是在實際電化學環境之外（非現場原位）進行的，因此沒有發現樹突開始形成的確切時間。在此次研究中，Gotoh博士與其團隊決定克服這一限制。他們認為，通過利用現場原位法（復制電化學環境），應用一種稱為核磁共振（NMR）的分析技術，可以精確地跟蹤材料內部結構中的鋰原子，而此種做法在使用非原位法時根本無法進行。

 

      利用此種方法，該團隊曾成功在鋰離子電池的過度鋰化階段，觀察到石墨電極和硬碳電極（兩種負極）的過度充電狀態。在新研究中，研究人員在鋰化和脫鋰過程（電池充放電循環）中，觀察到此類電極的狀態。NMR分析幫助研究人員追蹤過度充電的電池上枝晶（樹突）開始形成以及鋰開始沉積的確切時間。在石墨電極中，研究人員發現鋰枝晶（樹突）是在電極完全鋰化不久后形成的。在硬碳電極中，研究人員觀察到，只有在硬碳的孔隙中出現準金屬鋰簇后，才會形成枝晶（樹突）。因此，研究人員推斷，當電池被過度充電時，準金屬鋰簇的形成對鋰枝晶的形成起到緩沖作用。他們甚至對鈉離子電池也進行了同樣的分析，并發現了類似的結果。Gotoh博士解釋道：“我們發現有些內部有孔的碳材料（如無定形碳）在電池過度充電時，可以對鋰和鈉枝晶的沉積起到緩沖作用，這對于確保鋰離子電池和鈉離子電池的安全性至關重要。”

 

      Gotoh博士與其團隊揭示了鋰離子電池和鈉離子電池枝晶（樹突）的形成機制，對確保電池的安全性提供了有用的見解。事實上，這些科學家對未來可以將此類發現應用于其他類型的可充電電池持樂觀態度。Gotoh博士表示：“我們的發現不僅可應用于鋰離子電池和鈉離子電池，還可用于下一代二次電池，如全固態電池。”