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背景 從智能手機(jī)到筆記本電腦再到電動汽車，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開鋰離子電池,。然而,，鋰離子電池現(xiàn)在所達(dá)到的實(shí)際容量，已經(jīng)越來越逼近其理論容量了,，可是這個容量仍然無法滿足人們的需求,。為了提升鋰電池的能量密度和容量，鋰金屬電池備受大家矚目,。 顧名思義,，鋰金屬電池，采用鋰金屬作為電池負(fù)極部分,。在充電和放電時,，鋰電池中的離子來回穿過電解質(zhì)的負(fù)電極和正電極。石墨通常用于當(dāng)今鋰離子電池的負(fù)極,。然而,，鋰金屬電池通過用鋰金屬取代石墨，可以儲存更多的能量,。 然而，安全性問題嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的商用,。簡單說,，這個問題就是鋰枝狀晶體，簡稱“鋰枝晶”或“枝晶”,。外表上看,，枝晶有點(diǎn)像“小石筍”。它從電池中無保護(hù)的鋰金屬負(fù)極上自然地長出,。隨著時間推移,，這些像觸須一般的枝晶會刺穿電池的電解質(zhì)芯，最終到達(dá)正極,，引起電池短路甚至起火,。所以，鋰金屬電池一直被認(rèn)為是低效,、不穩(wěn)定,、甚至?xí)l(fā)火災(zāi)的。 然而,，科學(xué)家們一直在致力于解決這個問題,。例如,，筆者曾介紹過美國特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種抑制鋰金屬電池中鋰枝晶形成的方法,。 他們研究發(fā)現(xiàn),，全世界的各個研究小組都在嘗試不同的技術(shù)抑制鋰枝晶的形成與生長。然而,，幾乎所有這些技術(shù)都應(yīng)用了所謂的“保護(hù)傘”：在系統(tǒng)中引入一層有孔材料,，阻礙在負(fù)極聚集的鋰枝晶生長。通過采用數(shù)據(jù)模型,，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多孔材料可抑制枝晶的形成與生長,。采用這項(xiàng)技術(shù)形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系統(tǒng)中形成的枝狀晶體要短75%,。  （圖片來源：Joy Smoker / 特拉華大學(xué)） 創(chuàng)新 近日,，萊斯大學(xué)化學(xué)家 James Tour 的實(shí)驗(yàn)室展示了超薄的納米管薄膜，可以有效地阻止“枝晶”的生成,。他們利用碳納米管制造出高性能,、快速充電的鋰金屬電池，作為普通鋰離子電池的邏輯替代品,。 下圖所示：經(jīng)過500次充放電循環(huán)測試后,，鋰金屬負(fù)極的顯微圖像。在左邊的圖案中,，萊斯大學(xué)展示了,，通過碳納米管薄膜的保護(hù)，晶枝在負(fù)極的生長得到了抑制,。然而,，在右邊的圖案中，未經(jīng)保護(hù)的鋰金屬負(fù)極顯示出晶枝生長的跡象,。  （圖片來源：Tour 的研究小組） Tour 表示：“減緩鋰離子電池中生成晶枝的一種辦法就是,，限制它們的充電速度?？墒?，人們不喜歡這么做。他們想要更快速地充電,?！?/p> 萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的方法于發(fā)表在《先進(jìn)材料（Advanced Materials）》期刊上的論文中得到了詳細(xì)描述。Tour 稱,，這個方法可以簡單,、便宜、高效地阻止晶枝生長,。 下圖所示,，左：萊斯大學(xué)化學(xué)家 James Tour,，中：研究生 Gladys López-Silv，右：博士后研究員 Rodrigo Salvatierra 采用碳納米管抑制鋰金屬電池中的晶枝生長,。這種鋰金屬電池比現(xiàn)有的鋰離子電池充電速度更快,，含有的能量更多。  （圖片來源： Jeff Fitlow） 技術(shù) 他說：“我們所做的非常簡單,。你只需要為鋰金屬薄片涂上一層多壁碳納米管薄膜,。鋰滲透進(jìn)納米管薄膜，薄膜從黑色變成紅色,，并相應(yīng)地散發(fā)出鋰離子,。” 下圖所示：萊斯大學(xué)科學(xué)家們探索出多壁碳納米管膜可以抑制鋰金屬基電池中的晶枝生長,。  （圖片來源：Tour 的研究小組） 下圖所示：萊斯大學(xué)研究生 Gladys López-Silva 手持具有碳納米管薄膜的鋰金屬陰極,。一旦薄膜粘貼上之后，它會被鋰離子滲透而變成紅色,。  （圖片來源： Jeff Fitlow） 萊斯大學(xué)博士后研究員,、與研究生 Gladys López-Silva 一同作為論文領(lǐng)導(dǎo)作者的 Rodrigo Salvatierra 表示：“鋰金屬的物理接觸弱化了納米管薄膜，但是通過增加鋰離子平衡了它,。離子通過納米管薄膜分散開來,。” 當(dāng)使用電池的時候,，薄膜排放出存儲的離子,，其下方的鋰負(fù)極重新裝滿它，使得薄膜阻止晶枝生長的能力得以保持,。 下圖展示了萊斯大學(xué)開發(fā)的鋰金屬陰極是如何通過碳納米管薄膜抑制晶枝形成的,。  （圖片來源：Tour 的研究小組） 價值 這種糾纏的納米管薄膜，配合實(shí)驗(yàn)室在之前實(shí)驗(yàn)中開發(fā)的硫化碳陽極,，可以跨越測試電池的580次充放電循環(huán)，有效地阻止晶枝生長,。研究人員報告稱,，全鋰金屬電池保持了99.8%的庫倫效率，庫倫效率描述了電子在電化學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動的情況有多好,。 關(guān)鍵字 電池,、碳納米管、鋰 參考資料 【1】http://news./2018/10/25/nanotubes-may-give-the-world-better-batteries-2/ 【2】http://dx./10.1002/adma.201803869 |
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