中國儲能網訊：鋰金屬電池是可充電鋰離子電池的“近親”，廣泛應用于便攜式電子產品和電動汽車。作為下一代能源存儲設備，鋰金屬電池有著巨大的前景。
現在，美國斯坦福大學研究人員的一項新研究為制造更好、更安全的鋰金屬電池指明了一條前進的道路。相關研究近日發(fā)表于《電化學學會雜志》。
更長壽的鋰電池
與鋰離子電池相比，鋰金屬電池能儲存更多的能量，充電速度更快，重量也更輕。
但到目前為止，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限。
一個主要原因是“樹突”的形成——隨著鋰金屬在電池內電極上積累而生長的薄的、金屬狀的樹狀結構。這些枝晶會降低電池性能，并最終導致故障，在某些情況下，甚至會引發(fā)火災。
斯坦福大學的研究人員從理論角度來解決枝晶這一問題。他們開發(fā)了一個數學模型，可將涉及到“樹突”形成的物理和化學問題結合在一起。
該模型提供了一種見解，即在新的電解質（鋰離子在電池內兩個電極之間移動的介質）中交換一定的特性，可以減緩甚至完全阻止枝晶的生長。
“我們的目的是服務于更長壽命的鋰金屬電池的設計?！痹撗芯康谝蛔髡摺⑺固垢４髮W能源工程領域博士生Weiyu Li說，“我們的數學框架解釋了鋰金屬電池的關鍵化學和物理過程?！?
“這項研究提供了有關樹突形成條件的一些具體細節(jié)，以及抑制它們生長的潛在途徑?！痹搱蟾婀餐ㄓ嵶髡摺⑺固垢４髮W地球、能源與環(huán)境科學學院教授Hamdi Tchelepi說。
阻止枝晶形成
長期以來，實驗人員一直努力了解導致枝晶形成的因素。但實驗室工作是勞動密集型的，很難解釋研究結果。為此，研究人員開發(fā)了電池內部電場和鋰離子通過電解質材料傳輸的數學表示，以及其他相關機制。
這樣，有研究結果在手，實驗人員可專注于物理上合理的材料和建筑組合?！跋Ｍ渌芯咳藛T可以利用我們的研究來設計具有正確性能的設備，并減少他們在實驗室中必須進行的反復試驗和實驗變化的范圍?！盩chelepi說。
具體來說，這項研究要求的電解質設計新策略包括了解材料的各向異性，這意味著它們在不同的方向上表現出不同的性質。木材是典型的各向異性材料，其紋理的方向性非常強，很多時候可以看到木材的線條，而非紋理。
在各向異性電解質的情況下，這些材料可以微調離子傳輸和界面化學之間的復雜相互作用，阻止枝晶的形成。研究人員指出，一些液晶和凝膠顯示出這些期望的特性。
該研究確定的另一種方法集中在電池隔板上—— 一種防止電池兩端電極接觸和短路的薄膜。他們表示可以設計出具有孔隙特征的新型隔板，使鋰離子以各向異性的方式在電解液中來回通過。
構建“數字化身”
該團隊期待看到其他科研人員繼續(xù)研究他們給出的“線索”。接下來的步驟包括制造依賴新電解質配方和電池架構的設備，測試哪些可能被證明是有效、可擴展和經濟的。
“總的來說，在復雜電池系統(tǒng)的材料設計和實驗驗證方面還要進行大量研究?！痹撗芯抗餐ㄓ嵶髡摺⑺固垢４髮W能源工程教授Daniel Tartakovsky說。
根據這些最新的研究結果，Tartakovsky和同事正在構建一個成熟的鋰金屬電池系統(tǒng)（DABS）的虛擬代表——被稱為“數字化身”。
“這項研究是DABS的關鍵組成部分，我們的實驗室正在開發(fā)一種全面的‘數字化身’或鋰金屬電池的復制品?！盩artakovsky說，“有了DABS，我們將繼續(xù)提升這些有前途的儲能設備的技術水平。”（來源：中國科學報 馮麗妃）
