好消息！納米金剛石可以防止鋰電池的短路

德雷克塞爾的研究人員已經報道，在鋰電池的電解質溶液中加入納米金剛石可以防止樹枝狀的形成。樹枝狀是一種隨著時間的推移可以在電池內生長的卷鬚狀沉積物，會引起鋰電池的故障。

照片由德雷克塞爾大學和清華大學提供

雖然目前廣泛應用於手機，筆記本電腦等移動設備的鋰離子電池目前已成為壽命最長的商業電池，但由於移動設備的短路，近來也出現了一些電池的故障。 為了防止故障的發生，德雷克塞爾大學的研究人員研發出了一種方法，可以將電解質溶液（大多數電池的關鍵部件）發生轉化，使電池更不容易發生這些故障。

傑出大學博士Yury Gogotsi，巴赫教授，工程學院及其材料科學與工程系的研究團隊近日在自然雜誌上刊登了題為「Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites」的文章。 文章中，他們描述了一個過程，使用納米金剛石，一種比頭髮直徑小10,000倍的微小金剛石顆粒，可以減少鋰離子電池危險短路情況的發生。

當使用電池和進行充電的時候，電化學反應導致離子在電池的兩個電極之間移動，這就是電流的本質。但隨著時間的推移，離子的這種重新定位會產生類似卷鬚的沉積 ，幾乎像在洞內形成的鐘乳石。 這些稱為樹突的電池沉積是鋰電池故障的主要原因之一。 隨著時間的推移，電池內部形成的枝晶會穿過多孔聚合物膜形成的隔板，多孔聚合物膜是一種防止電池的正負極接觸的結構。 當其被破壞時，可能會發生短路，可能導致火災，因為大多數鋰離子電池中的電解質溶液是高度易燃的。

為了避免樹枝狀結構的形成以及降低火災概率，目前的電池設計包括一個充滿鋰的石墨填充的電極。 使用石墨作為鋰的主體可防止樹突形成。 但鋰嵌入石墨的儲能比純鋰約少10倍。 Gogotsi團隊的突破意味著可以大量增加能量的儲存，因為在純鋰電極中可以消除枝晶形成。

Gogotsi說：「電池安全是這項研究的關鍵問題，手錶中的一次電池使用鋰陽極，但只能放電一次，當您一次又一次地開始充電時，枝晶會開始生長，可能有幾個安全的周期，但遲早會發生短路，我們想消除或至少使這種可能性最小化。

Gogotsi及其在北京清華大學的合作者，以及中國武漢的華中科技大學，致力於使鋰陽極更加穩定，使電鍍更加均勻的研究，從而使枝晶不會生長。

他們通過在電池中的電解質溶液中加入納米金剛石來做到這一點。 納米金剛石已經在電鍍行業中被使用了一段時間，作為使金屬塗層更均勻的一種方式。 雖然它們比珠寶商的鑽石要小得多，更便宜，但納米金剛石仍然保留了其昂貴的祖先的正常結構和形狀。 當它們沉積時，它們自然地一起滑動以形成光滑的表面。

研究人員發現這種性質對於消除枝晶的形成非常有用。 在文章中，他們解釋說鋰離子可以很容易地附著到納米金剛石上，因此當電鍍電極時，將納米金剛石混入鋰離子電池的電解液中，可以通過100次充放電循環將枝晶形成減慢到零。

用俄羅斯方塊遊戲來做比喻，一堆不匹配的方塊堆積使遊戲結束，這些堆積的方塊相當於一個樹突。 將納米金剛石添加到混合物中就像使用代碼將每個新塊滑動到合適的位置來使樹突消失。

Gogotsi指出，他的團隊的發現只是一個過程的開始，最終我們可以看到電解質添加劑，如納米金剛石，廣泛用於生產具有高能量密度的安全鋰電池。 這些電池初步結果已經顯示出長達200小時的穩定的充放電循環，這足以在一些工業或軍事應用中使用，但這些電池還不足以應用於筆記本電腦或手機中。 研究人員還需要在各種物理條件和溫度下，而且在足夠長的時間內，對這些電池進行大量的測試，以確保樹突不會生長。

Gogotsi說：「我們很難確定樹突不會增長。所以這個技術的首次使用將在不太關鍵的應用中，而不是在手機或汽車電池中。為了確保安全性，電解質添加劑（如納米金剛石）需要與其他預防措施結合使用，例如使用非易燃電解質，更安全的電極材料和更強的分離器。

原文來自sciencedaily，由材料科技在線團隊翻譯整理

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