德雷塞爾大學(xué)在電解質(zhì)液中添加納米金剛石，防止樹突石堆積物的生成

       鋰離子電池廣泛應(yīng)用在智能機(jī)和筆記本電腦，是目前商用電池中壽命最長的電池類型。但鋰電池近年來頻頻爆出故障和自燃等電池短路引起的各種問題。針對鋰電池的這一缺陷，美國德雷塞爾大學(xué)近日研發(fā)出一種新技術(shù)，將多數(shù)電池中的關(guān)鍵構(gòu)件——電解質(zhì)液——進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化，從而避免了引發(fā)電池安全事故的電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。
       德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院的教授Bach和博士Yury Gogotsi，領(lǐng)導(dǎo)其團(tuán)隊(duì)在期刊Nature Communications上發(fā)表題為“納米金剛石對鋰樹突生長的抑制”的文章。研究描述了納米金剛石對電化學(xué)沉積的縮短工藝技術(shù)，也即電鍍，它能夠引起鋰離子電池的短路故障。
       隨著電池的使用和多次充電，所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起電池內(nèi)兩個(gè)電極之間的離子發(fā)生運(yùn)動(dòng)；離子的這種重新定位會(huì)生成類似卷須狀的累積物，就像巖洞里累積起來的鐘乳石一樣。這些電池內(nèi)的累積物被稱之為樹突石。樹突石是引發(fā)鋰電池故障的主要原因。隨著樹突石在電池內(nèi)的不斷累積生長，他們可以穿透電池的隔離膜。電池隔離膜是一種多孔聚合物薄膜，用來防止電池的正電荷部分與陰電荷部分發(fā)生接觸。而當(dāng)隔離膜被樹突石穿透后，就會(huì)發(fā)生短路，鋰電池內(nèi)部的高度可燃性電解質(zhì)液就會(huì)發(fā)生燃燒，從而導(dǎo)致電池燃燒和故障。
       為避免樹突石的形成并降低電池燃燒的可能性，現(xiàn)在的電池在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)采用填充有鋰的石墨電極，而不再使用純鋰電極。這種將石墨作為鋰的宿主的工藝能夠防止樹突石的形成。但是，摻雜石墨后的鋰的能量存儲(chǔ)比純鋰的能量存儲(chǔ)下降了約10倍左右。而Gogotsi博士的這項(xiàng)研究利用純鋰電極制備鋰電池，不僅消除了樹突石的形成，還極大提高了電池的能量存儲(chǔ)性能。
       Gogotsi博士說：電池安全是我們研究的一個(gè)重要議題，電子表中所用到的迷你一次性電池使用的是鋰正極，制備過程中只充一次電。但如果對其進(jìn)行反復(fù)充電，就會(huì)有生長出樹突石堆積物。鋰電池雖然有一定的安全循環(huán)，但反復(fù)充電終究會(huì)導(dǎo)致電池短路的發(fā)生。我們的研究目的就在于讓鋰正極變得更加穩(wěn)定，讓鋰鍍更加均勻一致，這樣就不會(huì)生長出樹突石堆積物。
       研究人員首先將納米金剛石添加到電解質(zhì)溶液中，在沉積過程中，納米金剛石自然游離到一起并形成光滑的表面。這一特性對于消除樹突石的形成有著很重要的作用。由于鋰離子很容易粘附在納米金剛石上，研究人員采用對電極進(jìn)行電鍍的方式，對納米金剛石進(jìn)行電鍍處理，混合了金剛石的電解質(zhì)液在100次充電循環(huán)中顯著降低了樹突石的形成。
       Gogotsi研究發(fā)現(xiàn)，這種混有“添加劑”的電解液可以制備出安全性能更高的鋰電池，且能量密度更大，穩(wěn)定充電-放電循環(huán)長達(dá)200小時(shí)之久，這對于某些行業(yè)和軍用設(shè)備來說已綽綽有余。