鋰金屬電池是可充電鋰電池的"近親"，廣泛應用于便攜式電子產(chǎn)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(xiàn)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

　　和鋰電池相比，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。

　　一個重要原因是"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(shù)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。

　　該模型供應了一種見解，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。"該研究第一作者、斯坦福大學能源工程領域博士生WeiyuLi說，"我們的數(shù)學框架解釋了鋰金屬電池的關鍵化學和物理過程。"

　　"這項研究供應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。"該報告共同通訊作者、斯坦福大學地球、能源和環(huán)境科學學院教授HamdiTchelepi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?shù)臄?shù)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。"希望其他研究人員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。"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的方向上表現(xiàn)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用途，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點的新型隔板，使鋰離子以各向異性的方式在電解液中來回通過。

　　構建"數(shù)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，測試什么可能被證明是有效、可擴展和經(jīng)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。"該研究共同通訊作者、斯坦福大學能源工程教授DanielTartakovsky說。

　　根據(jù)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(shù)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(shù)字化身’或鋰金屬電池的復制品。"Tartakovsky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。"