驯服枝晶'可以带来更好的锂离子电池

研究人员已经了解了锂离子电池常见故障背后的机制，这种故障是由于“树突”的形成和发展造成的，这些结果有助于设计更快充电和更持久的电池。

树枝状晶体是在电池内生长的锂形成物。因为它们在暴露于快速充电所需的大电流的同时生长得更快，树枝状晶体限制了再充电速度。

普渡大学材料工程教授EdwinGarcía说：“我们都有机会在机场等待两三个小时等待我们的手机充电。” “更好地控制枝晶生长将导致更快的充电。”

电池具有两个电极，称为阳极和阴极，由绝缘聚合物隔开。以针状形状生长的树突可能会破坏分离屏障，从而破坏电池。

11月1日在线发表在纳米能源杂志上的一篇论文详细介绍了这项新的研究成果，并将在未来的印刷版中出现。该论文由研究生Aniruddha Jana和García撰写。

他们以前的研究主要集中在树突的基本机制和电化学。

“从那以后我们发现，实际上这个问题比我们想象的要复杂得多，有内部行为制度，”加西亚说。

众所周知，树突有两种生长方式。在一种模式中，锂在地层的顶端或顶盖上成层累积，产生逐渐膨胀。在第二种模式中，树突从基部生长，这比尖端扩张快得多且更危险。

然而，到目前为止，第二种增长形式的机制尚不清楚。结果发现，向帽中添加锂会产生应力，导致碱从指数生长。

“事实证明锂就像一管牙膏，”他说。“它非常柔软，当你添加锂时，它会强调枝晶，就像挤压管子一样。它只是喷出来的。”

研究结果还揭示了枝晶生长的第三种模式，即混合生长方式，它结合了两种模式。

新发现将被纳入更复杂的模型，以研究和预测枝晶生长和改进电池设计。

“了解树突生长的机制是控制它们的第一步，”他说。“这使我们能够找到更现实的策略来减轻枝晶生长，从而使电池更安全，并找到更好的充电策略。”

可能解决该问题的一种方法是诱导锂均匀且相对平坦地生长而不是非均匀和尖锐的。不均匀生长意味着树枝状晶体在阳极表面上的不同位置处不均匀地发芽。García说，如果能够诱导它们均匀地生长并以更加可控的方式生长，那么电池可以设计成适应这种生长，防止地层到达阴极。

对于新兴类型的电池来说，枝晶是一个更为严重的问题，称为锂阳极电池和锂空气电池。

虽然今天的电池中的阳极是由碳制成的，但这些新型电池中的阳极将由纯锂制成，这可能使容量增加十倍但使它们更容易受到枝晶的影响。

研究人员创建了“枝晶生长动力学的统一理论框架”，评估了枝晶形成和生长的不同驱动力的贡献，并确定了五种“锂生长方式”。

“这些研究结果提出了设计无树枝状锂基阳极作为踏脚石的路线图，以确定无枝晶的替代化学成分，”García说。

Jana进行了研究的数学计算，并在电池充电时创建了与枝晶生长相关的各种类型微结构的目录。