研究人员研发出新型二维电池隔膜 可使锂金属电池寿命翻倍

传统锂离子电池的能量密度正不断接近饱和点，因此无法满足未来电动汽车等应用的需求。与锂离子电池相比，单位重量的锂金属电池可提供两倍的能量。但锂金属电池应用存在一个较大问题，其锂金属阳极上会形成锂枝晶。这是一种很小的针状结构，形状与石洞穴中的石笋类似。这些枝状晶体会不断生长，直到刺穿隔膜，从而导致电池短路，最终损坏电池。

（图片来源：耶拿弗里德里希席勒大学）

多年来，全球的专家一直在寻找解决此问题的方法。据外媒报道，近日，耶拿弗里德里希席勒大学（Friedrich Schiller University in Jena）的科学家与波士顿大学（BU）和韦恩州立大学（WSU）的同事成功阻止了锂金属电池中枝晶的形成，将该电池的寿命延长了一倍以上。

在电荷转移过程中，锂离子在阳极和阴极之间来回移动。每当它们获得一个电子时，它们就会沉积一个锂原子，而这些原子就会在阳极上积聚。在积聚处，晶体表面会三维生长，从而形成枝晶。该隔膜的孔隙会影响支晶成核。如果离子传输更均匀则可以避免枝晶成核。

耶拿大学的Andrey Turchanin教授解释说：“这也是为什么我们将极薄的碳制二维膜应用于隔膜中。碳制二维膜的孔径小于1纳米，小于临界核尺寸，因此可以防止枝晶成核。锂不再形成树枝状结构，而是作为光滑的薄膜沉积在阳极上。”这样做不仅不会破坏隔膜，且不会影响电池功能。

耶拿大学Antony Geore博士称：“为了对该方法进行测试，我们对装有混合隔膜的测试电池进行多次充电。结果发现，即使经过数百次充电和放电循环，也没有检测到任何树枝状生长。”

WSU的副教授Leela Mohana Reddy Arava表示：“新方法的关键创新在于无需改变当前电池的生产过程，仅通过超薄膜就可稳定电极/电解质界面。而界面稳定性是提高电化学系统性能和安全性的关键。”

与现代电动汽车（EV）电池同等重量/体积下，高能量密度电池延长了EV的续航里程，并使便携式电子设备在一次充电后的续航时间更长。WSU研究生Sathish Rajendran表示：“与电池其他组件相比，隔膜受到的关注最少，但隔膜上纳米厚的二维膜在影响着电池的寿命。”

研究团队相信此次发现可能会带来新一代锂电池，因此申请了专利。下一步他们将研究如何把二维膜应用整合到生产过程中。此外，研究人员还希望将这一发现应用于其他类型的电池。