美國發現堿金屬添加劑可阻止鋰枝晶 可制成更安全的低成本鋰電池
時間:2020-11-30 08:36來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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鋰金屬電池生長枝晶（圖片來源：哥倫比亞大學）
電動汽車（EV）對于實現可持續性節能未來至關重要，但是此類車輛的局限性之一是缺乏持久、高能量密度的電池，以減少長途旅行中的燃料需求。與此同時，在停電或電網出現故障時，家庭生活中也遇到了這一挑戰，目前市場上沒有小型高效的電池，能夠在家庭沒有電的情況下，為家庭供電一個多晚上。下一代鋰離子電池將是一種輕量化、持久且低成本的儲能設備，能夠給該行業帶來革新，但是目前仍面臨著許多挑戰阻礙其實現商業化。
此類電池的主要問題是，盡管可充電鋰金屬陽極在讓新款鋰電池的表現更好方面扮演著一個關鍵角色，但是在充放電過程中，此類陽極極易生長枝晶，此種微結構會導致電池短路、起火，甚至爆炸。
據外媒報道，當地時間11月4日，美國哥倫比亞大學工程學院（Columbia Engineering）報告表示，他們發現鉀離子等堿金屬添加劑能夠防止此類鋰枝晶在電池內擴散。研究人員結合使用顯微鏡、核磁共振（類似于MRI）和計算模型發現，在傳統鋰電池電解質中添加少量鉀鹽會在鋰/電解質界面上產生獨特的化學反應。
利用核磁共振成像和計算機模擬了解鋰金屬陽極表面分子的反應性和結構（圖片來源：哥倫比亞大學）
該團隊發現，堿金屬添加劑抑制了此種非導電化合物（枝晶）在鋰金屬表面生長，這與傳統的電解質操控方法不同，后者關注于在金屬表面沉積的導電聚合物。該項研究首次采用了核磁共振對金屬鋰表面進行深入表征，并證明了此種技術在設計新型鋰金屬電池電解質方面的能力。此外，卡內基梅隆大學機械工程系Viswanathan小組也與哥倫比亞大學合作，利用密度泛函理論計算結果補充了哥倫比亞大學的研究成果。
研究人員表示：“商用電解質是由精心挑選的分子組成的混合物，采用核磁共振和計算機模擬技術，我們能夠最終了解此類獨特的電解質配方如何在分子水平上提高了鋰金屬電池的性能，這一發現最終也為研究人員提供了工具，讓他們能夠優化電解質設計、實現穩定的鋰金屬電池。”
目前，該團隊正在測試能夠阻止鋰金屬表面形成有害沉積物的堿金屬添加劑，同時測試能夠促進鋰金屬表面導電層生長的更加傳統的添加劑。此外，研究人員還在積極采用核磁共振技術以直接測量鋰離子透過該表層的傳輸速率。
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