研究锂金属电镀并做出一些可能导致下一代电池的惊人发现

随着我们对小工具的热爱，对更长久的电池的需求也在增长。但是有一个问题。

为了制造更持久的电池，它需要更大，而对于手机或电动汽车而言更大也不是更好 - 更不用说心脏起搏器了。

锂离子电池的声誉已经不那么高了：想想爆炸手机或飞机起火。除了这些现有问题，当研究人员试图在不影响性能的情况下收缩这些电池时，结果更加不稳定并且容易发生短路; 工程师们无法解决这些问题。

圣路易斯华盛顿大学的研究人员对这些问题的原因或原因有了新的见解，为更小，更安全，能量更密集的电池铺平了道路。他们的工作成果最近在线发表在Joule期刊上。

工程与应用科学学院助理教授彭白在这些高能量锂金属电池方面确定了三个关键的电流界限。事实证明，工程师们一直在寻找一个解决方案来解决三个问题。

锂离子电池由三层制成：一层称为阳极的低压材料(石墨); 一种称为阴极的高压材料(钴酸锂); 和一层多孔塑料，将两者分开。

隔板被称为电解质的液体润湿。当电池放电时，锂离子从阳极排出，通过液体电解质，并进入阴极。随着电池充电，该过程相反。

“有一半锂离子电极材料在任何时候都是空的，”白说，“你浪费了一半的空间。”

工程师们已经知道他们可以通过丢弃一半主机材料总是空的自重来制造能量密度更高的电池(具有类似输出功能的更小电池)。通过去除石墨阳极，然后在再充电过程中用电子还原锂离子，它们取得了极少的成功，这一过程形成了锂金属的薄镀层。

“问题在于锂金属镀层不均匀，”Bai说。“它可以长出'手指'。” “

研究人员将这些手指称为“树突”。当它们从锂金属电镀中扩散时，它们可以穿透电池中的隔板，导致短路。

但并非所有的“手指”都是一样的。“如果你称他们为所有树突，你正在寻找一种解决方案来解决实际上三个问题，这是不可能的，”白说。“这就是为什么经过这么多年这个问题从未得到解决的原因。”

他的团队在这些锂金属阳极中发现了三种不同类型的手指或生长模式。他们还概述了当前每种增长模式的出现。

“如果你使用非常高的电流，它会在尖端构建，以产生树状结构，”Bai说。那些是“真正的树突”。

低于下限，你会从根部开始生长胡须。

在这两个极限内，存在从晶须到树枝状晶体的动态转变，Bai称之为“表面生长”。

这些增长都与液体电解质和金属沉积物之间的区域中的竞争反应有关。

该研究发现，纳米多孔陶瓷隔板可以阻挡晶须达到一定的电流密度，之后表面生长可以缓慢地渗透隔板。具有足够强的电流，形成“真枝状物”，其可以容易且非常快地穿透分离器以使电池短路。

在这一点上，Bai说，“我们独特的透明电池显示电池的电压看起来很正常，即使隔板已被锂金属灯丝穿透。没有看到内部发生的情况，你很容易被愚弄看似合理的电压，但是，真的，你的电池已经失败了。“

为了构建具有锂金属阳极的安全，高效，可靠的电池，需要通过三种不同的方法来控制三种生长模式。

考虑到消费者希望能够存储更多能量的电池，并且同时希望它们更快地充电，这将是一个挑战。这两者的结合不可避免地产生越来越高的充电电流，这可能超过Bai团队确定的临界电流之一。

而且，电池会降解。当他们这样做时，为新电池确定的临界电流不再适用; 门槛降低了。此时，给定相同的快速充电电流，电池短路的可能性更高。

“电池的运行是非常动态的，在很宽的电流范围内。但它的性能在循环寿命中变化很大”，Bai说。“这就是为什么这是必要的。”

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