减缓有机锂离子电池的锂晶枝生成，要用这招

shuszhao · 发表于 2018-4-8 20:16:56

拥有高能量密度与高工作电压的锂离子电池是各家首选储能配备，智能手机、电动车到大型储能发电厂都会出会它的身影，但乍看无所不能的电池其实有致命缺点，锂金属在过充或多次循环使用后容易生成枝晶，进而刺穿隔离层导致自爆……
拥有高能量密度与高工作电压的锂离子电池是各家首选储能配备，智能手机、电动车到大型储能发电厂都会出会它的身影，但乍看无所不能的电池其实有致命缺点，锂金属在过充或多次循环使用后容易生成枝晶，进而刺穿隔离层导致自爆。
为了解决电池短路自爆风险，科家与各大厂商不断寻找解决方案，伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）机械与工业工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示，虽然有机电解液可以提升锂离子电池能量密度，但非均质（heterogeneous）锂金属在多次充放电之后，锂表面容易沉积不均匀并长出枝晶，因此目前尚未成功研发可商业化的有机电解液锂离子电池。
因此 UIC 与得克萨斯州 A&M 大学（TAMU）组成团队，盼能加速找出解决办法，并希望能透过超级计算机来了解枝晶形成过程中化学与物理原理。TAMU 化学工程教授 Perla Balbuena 表示，团队目的是开发可保护锂金属的涂料（coating material），并可藉由涂料减缓锂沉积（deposition）。

（Source：UIC）
团队研发一种可喷在电池玻璃纤维分离层的氧化石墨烯（graphene oxide）纳米层片，这些材料能让锂离子顺利流动，同时也可减缓并控制离子与电子结合变成中性原子的速度。该涂料让原子沉积不会像针（needles）一样不平均，而是在底部形成平坦表面。
研究员利用计算机模型与仿真，并结合物理实验与显微镜成像。结果显示锂离子会在氧化石墨烯层上形成薄膜，再透过材料间隙沉积到氧化石墨烯层底下，材料间隙作用类似于怀旧弹珠台的轨道，可放慢沉积速度与引导方向。
氧化石墨烯也可增加电池循环寿命，与其他电池的 120 次循环寿命相比，该电池可以达到 160 稳定循环。
该氧化石墨烯可藉由便宜实惠的喷涂来达成，但由于涂料很薄，要确定位置是个挑战，Balbuena 表示，实验中也无法从微观层面上确定涂层在哪，该涂料非常薄，所以不太需要精确定位其位置。
他们也透过计算机模型探讨氧化石墨烯喷涂方式，想要了解与电流收集器（current collector）平行还是垂直比较好，最终团队发现两者都有效，但如果想让锂平行沉积，材料需要足够的间隙。Balbuena 表示，计算机仿真结果让团队与合作者知道离子如何透过涂层转移，藉由这些研究，未来可能会朝向不同厚度与材料研究。目前该成果已发表在《Advanced Functional Materials》。