用木頭來做更安全的電池

受樹木結構的啟發，美國馬里蘭大學的工程師對木頭進行改造，將其作為鋰金屬電池負極的特殊結構，以此避免某些關鍵因素導致的電池故障。

鋰離子在可充電電池中移動，為手機，筆記本，甚至是燈泡提供電能。在充滿電的情況下，負極：鋰金屬膨脹，在電量用盡的情況下，鋰金屬收縮。尺寸上的快速變化會導致預料之外的後果，比如鋰金屬表面鋰的增多。這些損壞隨著時間累積，將導致嚴重的安全隱患，如過熱或著火。對此，博士生Ying Zhang提出了一種新的設計，能提升電池的能量密度，增加電池容量，並同時降低電池過熱風險。

這種新型電池並非使用金屬塊存儲鋰離子，而是將其存儲在木材中的天然通道中，這些通道曾被植物用於運輸水和養分。

木材就像是旅館，提供了大量房間(通道)，能夠容納許多住客(鋰金屬)。隨著鋰金屬「住客」進入木質旅館，旅館能容納所有住客，將他們舒服、安全地安置在每個房間內，同時維持木頭的外部結構。每個房間內容納的住客可多可少，但總體結構不會被破壞或者坍塌。

這樣做出來的電池十分安全，可進行快速的充電和放電。工程師們用電流密度對電池進行度量，即鋰金屬在表面聚集的速度，高電流密度相當於木頭旅館客流量較大，但當旅館門口堵塞時可能出現一些問題。通過簡單地增加供鋰離子通行的門的數量可以避免這個問題，這正是該研究中使用的方法。雖然同一時間鋰金屬客人通行的總量不變，但每個門經過的客人數目很少，即局部電流密度較小。通過利用木頭主人每個通道內具備的較大表面積，可降低局部電流密度，使得鋰金屬的受控移動更加容易。

在電池中使用大量鋰金屬箔片是傳統的替代方式，就像只有一個供客人進出的門，這樣的旅館並不穩定。當電池處於高電流密度的情況下，單個門不足以應對大流量的客人，因此很容易損壞，導致電池內部出現隱患。另一方面，木頭旅館的設計，由於其具備大量筆直通道，為住客提供了多個通行門戶，因此鋰電池可分別進入獨立的通道，即使在高電流密度(3mA/cm2)下也能井井有條，避免了可能導致電池故障的樹形分枝結構。

項目領導者、材料科學與工程系副教授、大學能量研究中心成員Liangbing Hu說：

我們正在研究使用天然材料改進電池，這只是我們研究的一部分。我們從天然的生物結構中得到靈感，創造了存儲能量的新方式，現在我們也能使用可再生材料了。

該研究已被發表在3月20日的美國國家科學院論文集上，題為「大容量，低彎曲度及通道引導的鋰金屬電極。」

[CliffBao via phys]

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