研究人员了解并利用枝晶来增强锂金属电池

锂金属电池有望成为高密度储能技术，但阳极上不受控制的锂枝晶生长会引发不必要的反应，降低能量密度或导致电极短路。

亚利桑那州立大学的一项新研究发现，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅酮作为锂金属阳极的基底，可以减少枝晶的形成，并延长电池寿命，降低安全风险。一篇描述应力驱动的锂枝晶生长机制和软基板上电镀枝晶减缓的论文发表在自然能源．

亚利桑那州立大学物质、运输和能源工程学院教授、该论文的首席研究员江汉清(Hanqing Jiang)表示，这些发现与锂离子和锂空气电池有关，也适用于其他金属阳极电池。

“几乎所有用作电池阳极的金属都倾向于形成枝晶，”Jiang说。“例如，这些发现对锌、钠和铝电池也有影响。”

据说，蒋和他的团队不是从材料或电化学的角度来解决这个问题，而是以机械工程师的身份来寻找解决方案。“我们已经知道，在压力下，微小的锡针或晶须可以从锡表面伸出来，所以通过类比，我们研究了压力作为锂枝晶生长因素的可能性。

第一轮研究涉及在电池阳极底部添加一层PDMS。“树突生长显著减少，”蒋说。研究人员发现，这与锂金属内部积累的应力被PDMS基底以“褶皱”形式的变形所缓解直接相关。

“这是第一次有令人信服的证据表明残余应力在锂枝晶的形成中起着关键作用，”Jiang说。

除了获得对锂枝晶生长机制的基本理解外，Jiang的团队还设计了一种方法，利用这种现象来延长锂金属电池的寿命，同时保持其高能量密度。

解决方案是赋予PDMS基板一个具有大表面积的三维形式。

蒋教授说:“想象一下含有很多内部小孔的方糖。”“在这些立方体内部，PDMS形成一个连续的网络作为基片，覆盖着一层薄铜层来传导电子。最后，锂填满气孔。PDMS是一种多孔的海绵状层，可以缓解压力，有效地抑制树突生长。”

莱斯大学研究小组成员唐明教授表示:“这一发现对使锂金属电池成为一种安全、高密度、长期的能量存储解决方案具有广泛意义。”“潜在的应用范围从个人电子设备到为电动汽车提供异常长时间的电力，再到作为太阳能电网的备用电力供应。”

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