碳纳米管阳极降低锂电池的风险

这是德克萨斯农工大学研究人员的说法，他们的研究结果发表在纳米快报．

“我们已经为锂电池设计了下一代阳极，它可以有效地产生快速充电设备所需的大而持续的电流，”德克萨斯州A&M大学材料科学研究生朱兰·诺(Juran Noh)说。“此外，这种新结构可以防止锂在阳极外积聚，随着时间的推移，锂会导致电池两个隔间之间的内容物发生意外接触，这是导致设备爆炸的主要原因之一。”

研究人员了解并利用树突来增强锂金属电池

电子“溢洪道”可以使锂电池更安全

常用的阳极材料是石墨。在这些阳极中，锂离子被插入石墨层之间。然而，Noh表示，这种设计限制了可以存储在阳极内的锂离子的数量，并且在充电过程中需要更多的能量来从石墨中去除离子。

此外，锂离子可以在阳极表面积聚形成枝晶。随着时间的推移，树突生长并最终刺穿分隔电池两个隔室的材料。这种缺口会导致电池短路并引起火灾。树突还通过消耗锂离子来影响电池的性能，使它们无法产生电流。

Noh表示，另一种阳极设计涉及使用纯锂金属代替石墨。与石墨阳极相比，锂金属阳极的单位质量或能量密度的能量含量要高得多，但由于枝晶的存在，它们也可能以同样灾难性的方式失效。

Noh和她的同事们用高导电性、轻质的碳纳米管设计了阳极。这些碳纳米管支架含有供锂离子进入和沉积的孔隙，但结构不能很好地与锂离子结合。

研究小组制作了另外两种碳纳米管阳极，其表面化学性质略有不同:一种带有丰富的可以与锂离子结合的分子群，另一种具有相同的分子群，但数量较少。用这些阳极，他们制造电池来测试形成树突的倾向。

不出所料，研究人员发现只用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合;几乎没有树突形成，但电池产生大电流的能力受到了损害。含有过量结合分子的支架形成了许多树突，缩短了电池的寿命。

然而，碳纳米管阳极与最佳数量的结合分子阻止了树突的形成。此外，大量的锂离子可以结合并沿着支架表面扩散，从而提高电池产生大而持续电流的能力。

Noh在一份声明中说:“当结合分子群丰富时，由锂离子组成的锂金属簇最终会堵塞支架上的毛孔。”“但是当我们有适量的这些结合分子时，我们可以在某些地方‘解压缩’碳纳米管支架，允许锂离子通过并结合到支架的整个表面，而不是积聚在阳极的外表面并形成树突。”

Noh表示，他们性能最好的阳极处理电流的能力是商用锂电池的五倍。她指出，这一特性对于需要快速充电的大型电池尤其有用，比如用于电动汽车的电池。

“几十年来，制造安全且寿命长的锂金属阳极一直是科学挑战，”Noh说。“我们开发的阳极克服了这些障碍，是迈向锂金属电池商业应用的重要的第一步。”