锂离子电池如何延长寿命并提升安全性

日前，亚利桑那州立大学（ArizonaStateUniversity）的一项新研究发现，使用三维聚二甲基硅氧烷（PDMS）层作为电池中锂金属阳极的基体材料，能够有效地抑制锂枝晶的形成，从而大大地延长电池寿命，减少安全隐患。该研究于三月六日发表在最新的优秀期刊《自然能源》（NatureEnergy）上。

论文的首席研究员姜汉卿（HanqingJiang）教授说，这个发现对锂离子（lithium-ion）电池和锂空气（lithium-air）电池都有意义，并且对其他金属阳极电池也有很大的意义。因为几乎所有用作电池阳极的金属都会出现枝状晶体，比如，锌、钠和铝电池等。

姜汉卿称，他和研究团队并不是从材料或电化学的角度来解决这个问题的，而是从机械工程师的角度来寻找解决方法。他说，已知的研究表明，微小的锡针或锡须（类似枝状晶体）在应力用途下会从锡金属的表面伸出，因此通过类比，我们研究了应力作为锂枝晶生长原因的可能性。

电镀锂层过程中形成的压应力使得PDMS基底上的铜层出现褶皱变形；（b）PDMS基底的褶皱变形使得锂层中的应力得到释放，从而抑制枝晶的形成；（c）没有柔性PDMS基底的应力释放用途，锂金属表面形成枝状晶体

在第一轮研究中，研究者在电池的阳极底部加了一层柔性PDMS，发现锂枝晶的生长有明显的减少。研究者的分析表明，金属锂电极中累积的应力被PDMS基底以褶皱变形的形式所释放，而这种枝晶减少的趋势与此应力释放直接相关。

这是首次从实验上证明了残余应力在锂枝晶的形成中起着关键用途，姜汉卿说。

除了研究锂枝晶的生长机制外，姜汉卿团队又进一步研究了如何利用这种现象（应力释放减少枝晶生长）来延长锂金属电池的寿命，同时还保持高能量密度。

研究者提出的方法是将PDMS基体做成具备很多表面的三维结构。利用一块内部含有大量小孔的方糖作为模板，PDMS进入方糖内部的孔隙中，形成一个持续的网络状基底，再镀一层薄薄的铜层以传导电子。最后，再用锂金属充满这些孔隙。PDMS作为一种多孔的海绵状层，能够有效减轻应力并抑制枝晶生长，

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