通過(guò)石墨代替高密度純金屬鋰，科學(xué)家們有望顯著(zhù)提升電池技術(shù)的性能，但當前仍有一些障礙需要克服。不過(guò)德國耶拿弗里德里希席勒大學(xué)的科學(xué)家們，已經(jīng)展示了一種微調的碳膜技術(shù)。即便經(jīng)歷了數百次循環(huán)充電，它仍能夠防止鋰電池因枝晶而導致故障。
熟悉鋰電池技術(shù)發(fā)展的朋友，一定不會(huì )對枝晶這種針狀結構感到陌生。
盡管鋰金屬電池的儲能潛力是當前鋰離子電池的 10 倍，但在充放電過(guò)程中，鋰離子會(huì )在電池兩極間來(lái)回移動(dòng)，并讓鋰原子在電極上積聚。
一段時(shí)間過(guò)后，被稱(chēng)作枝晶的尖刺就會(huì )戳破電芯隔板，導致電池遭遇短路和故障。
研究配圖 - 1：碳納米膜涂層在 Ceigard 隔膜上的合成與轉移
迄今為止，世界上已有相當多的研究團隊，在防止枝晶生成這件事上傾注了大量的心力。
而為了讓鋰金屬電池一步步走向現實(shí)，我們已經(jīng)見(jiàn)到了解決這個(gè)問(wèn)題的各種創(chuàng )造性的潛在解決方案 —— 比如使用超薄鋰、納米管薄膜、以及自組裝保護層。
研究配圖 - 2：電池恒流 / 不同時(shí)間間隔下的縮放電壓曲線(xiàn)
這項新研究的作者，試圖通過(guò)使用帶有微調孔的新型碳膜來(lái)對抗枝晶的生成，而這種碳膜能夠以正確的方式來(lái)影響離子的輸送。
耶拿大學(xué)的 Andrey Turchanin 教授解釋稱(chēng)：“這就是我們在隔膜上應用由碳制成的極薄二維膜的原因”。
研究配圖 - 3：鋰在銅箔上電沉積的過(guò)程示意
教授稱(chēng)，這種碳膜的孔徑小于 1 納米。由于開(kāi)口小于臨界核尺寸，因而能夠防止枝晶形成。此時(shí)鋰無(wú)法形成枝晶結構，而是作為光滑的薄膜，而沉積在陽(yáng)極上。
在對這種電池設計展開(kāi)對比測試之后，研究團隊發(fā)現其壽命較無(wú)保護膜的電池延長(cháng)了一倍，且在數百次充電循環(huán)中沒(méi)有出現枝晶生長(cháng)的跡象。
研究配圖 - 4：模擬離子輸送與枝晶生長(cháng)的通道尺寸
科學(xué)家們認為，這將是通向下一代鋰電池的重要一步，并且已經(jīng)申請了相關(guān)專(zhuān)利，現正研究如何將這種碳膜引入實(shí)際的電池制造過(guò)程。
參與這項研究的華盛頓州立大學(xué)研究生 Sathish Rajendran 表示：“與電池的其它組件相比，隔膜材料的關(guān)注度一直偏少。而新研究展示的納米級二維膜，已經(jīng)對電池壽命產(chǎn)生了讓人著(zhù)迷的影響力”。
研究配圖 - 5：鋰電池循環(huán)性能分析
有關(guān)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。
原標題為《Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes》。
