锂电池纳米新材料，临界纳米碳孔膜的作用：可有效避免锂

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提高电池续航，已经普及到各种电子行业特别是消费电子行业的锂电池技术的创新和革新都备受业界关注，最近，《先进能源材料》刊登了一篇论文显示科学家研究了一种用在锂电池上的纳米新材料：临界纳米碳孔膜，它可有效避免锂电池枝晶的生成，减少电池遭遇短路和故障。请看详情。

                               
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通过石墨代替高密度纯金属锂，科学家们有望显著提升电池技术的性能，但当前仍有一些障碍需要克服。不过德国耶拿弗里德里希席勒大学的科学家们，已经展示了一种微调的碳膜技术。即便经历了数百次循环充电，它仍能够防止锂电池因枝晶而导致故障。

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熟悉锂电池技术发展的朋友，一定不会对枝晶这种针状结构感到陌生。
尽管锂金属电池的储能潜力是当前锂离子电池的 10 倍，但在充放电过程中，锂离子会在电池两极间来回移动，并让锂原子在电极上积聚。
一段时间过后，被称作枝晶的尖刺就会戳破电芯隔板，导致电池遭遇短路和故障。

                               
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研究配图 - 1：碳纳米膜涂层在 Ceigard 隔膜上的合成与转移

迄今为止，世界上已有相当多的研究团队，在防止枝晶生成这件事上倾注了大量的心力。
而为了让锂金属电池一步步走向现实，我们已经见到了解决这个问题的各种创造性的潜在解决方案 —— 比如使用超薄锂、纳米管薄膜、以及自组装保护层。

                               
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研究配图 - 2：电池恒流 / 不同时间间隔下的缩放电压曲线

这项新研究的作者，试图通过使用带有微调孔的新型碳膜来对抗枝晶的生成，而这种碳膜能够以正确的方式来影响离子的输送。
耶拿大学的 Andrey Turchanin 教授解释称：“这就是我们在隔膜上应用由碳制成的极薄二维膜的原因”。

                               
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研究配图 - 3：锂在铜箔上电沉积的过程示意

教授称，这种碳膜的孔径小于 1 纳米。由于开口小于临界核尺寸，因而能够防止枝晶形成。此时锂无法形成枝晶结构，而是作为光滑的薄膜，而沉积在阳极上。
在对这种电池设计展开对比测试之后，研究团队发现其寿命较无保护膜的电池延长了一倍，且在数百次充电循环中没有出现枝晶生长的迹象。

                               
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研究配图 - 4：模拟离子输送与枝晶生长的通道尺寸

科学家们认为，这将是通向下一代锂电池的重要一步，并且已经申请了相关专利，现正研究如何将这种碳膜引入实际的电池制造过程。
参与这项研究的华盛顿州立大学研究生 Sathish Rajendran 表示：“与电池的其它组件相比，隔膜材料的关注度一直偏少。而新研究展示的纳米级二维膜，已经对电池寿命产生了让人着迷的影响力”。

                               
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研究配图 - 5：锂电池循环性能分析

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。

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