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領域。作為下一代能源存儲設備，鋰金屬電池應用有著光明前景。

現在，美國斯坦福大學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，鋰金屬電池可以儲存更多的能量，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用途還很有限。

一個主要原因是“樹突”——隨著鋰金屬在電極上積累而生長的樹狀結構的形成，這些枝晶會降低電池性能，并最終導致故障，在某些情況下，甚至會引發火災。

斯坦福大學的研究人員試圖從理論角度解決枝晶問題。他們開發了一個數學模型，可將涉及“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，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。”該研究第一作者、斯坦福大學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，以及抑制它們生長的潛在途徑。”該研究共同通訊作者，斯坦福大學地球、能源與環境科學學院教授Hamdi Tchelepi說。

阻止枝晶形成

長期以來，實驗人員一直努力探究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，研究人員開發了電池內部電場和鋰離子通過電解質材料傳輸的數學模型，以及其他機制。

這樣，有研究結果在手，實驗人員就可專注于開發在物理上合理的材料和建筑組合。“希望其他研究人員可以利用我們的發現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縮小實驗變化的范圍。”Tchelepi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。

在具備各向異性電解質的前提下，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學家繼續沿著他們給出的“線索”開展研究。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，測試哪些設備可能是有效、可擴展和經濟的。

“在復雜電池系統的材料設計和實驗驗證方面還要進行大量研究。”該研究共同通訊作者、斯坦福大學能源工程教授Daniel Tartakovsky說。

根據這些最新研究結果，Tartakovsky和同事正在構建一個被稱為“數字化身”的鋰金屬電池系統(DABS)虛擬代表。

“這項研究是DABS的關鍵組成部分，我們的實驗室正在開發一種全面的‘數字化身’或鋰金屬電池的復制品。”Tartakovsky說，“有了DABS，我們將繼續提升這些有前途的儲能設備的技術水平。”

相關論文信息：

https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac7978