盡管鋰離子電池廣泛應(yīng)用于從手機(jī)到筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備，并且是目前商業(yè)電池中壽命最長(zhǎng)的一種，但是由于移動(dòng)設(shè)備的短路，近來(lái)鋰離子電池也遭遇了一些崩潰和火災(zāi)。為了防止更多的這些危險(xiǎn)事故的發(fā)生，德雷克塞爾大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，將電解液（大多數(shù)電池的關(guān)鍵部件）轉(zhuǎn)化為防止導(dǎo)致電池類(lèi)似災(zāi)害的化學(xué)物質(zhì)。

德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院教授Yury Gogotsi及其材料科學(xué)與工程系的研究團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇關(guān)于自然通訊工作的論文。在文中，他們描述了通過(guò)納米金剛石 - 比頭發(fā)直徑小10,000倍的微小金剛石顆粒，來(lái)減少電鍍產(chǎn)生的電化學(xué)沉積，這種電化學(xué)沉積有可能會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池短路。

隨著電池的反復(fù)使用和充電，電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致離子在電池的兩個(gè)電極之間來(lái)回移動(dòng)，這是電流產(chǎn)生的本質(zhì)。隨著時(shí)間的推移，這種離子的重新定位可以產(chǎn)生類(lèi)似卷須的積聚—就像在洞內(nèi)形成的鐘乳石。這些稱(chēng)為枝晶的電池積聚是鋰離子電池發(fā)生故障的主要原因之一。

隨著時(shí)間的推移，隨著電池內(nèi)部的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的形成，它們可以達(dá)到其穿過(guò)隔板的點(diǎn)，這種多孔聚合物膜可以有效防止電池帶正電的部分接觸帶負(fù)電的部分。當(dāng)該分離器被破壞時(shí)，則可能會(huì)發(fā)生短路，也可能導(dǎo)致火災(zāi)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)鋰離子電池中的電解質(zhì)溶液都是高度易燃的。

為了避免樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的形成，降低火災(zāi)的概率，目前的電池電極是由一個(gè)充滿(mǎn)鋰的石墨制成的電極，而不是純鋰。使用石墨作為鋰的主體可以幫助防止樹(shù)突的形成，但是鋰嵌入的石墨會(huì)比純鋰儲(chǔ)存的能量低約10倍。 Gogotsi團(tuán)隊(duì)的突破意味著現(xiàn)在可以通過(guò)在純鋰電極中消除枝晶形成來(lái)大大增加能量?jī)?chǔ)存。

“電池安全問(wèn)題是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵，”Gogotsi說(shuō)。 “手表中的小一次電池使用的是鋰陽(yáng)極，但它們只能放電一次，當(dāng)您一次又一次地充電時(shí)，樹(shù)突開(kāi)始增長(zhǎng)，可能有幾個(gè)安全周期，但遲早會(huì)發(fā)生短路，我們想消除或至少最小化這種可能性。“

Gogotsi和他在北京的清華大學(xué)和中國(guó)武漢的Hauzhong科技大學(xué)的合作者正在專(zhuān)注于使鋰陽(yáng)極更加穩(wěn)定，并且電鍍更均勻，從而不會(huì)增長(zhǎng)樹(shù)突。

他們通過(guò)在電池中的電解質(zhì)溶液中加入納米金剛石來(lái)做到這一點(diǎn)。納米金剛石已經(jīng)在電鍍工業(yè)中作為一種使金屬涂層更為均勻的方式，已經(jīng)使用了一段時(shí)間。雖然它們比珠寶商案例中的鉆石要小得多而且更便宜，但納米金剛石仍然保留了昂貴的祖細(xì)胞的規(guī)則結(jié)構(gòu)和形狀。當(dāng)它們沉積時(shí)，它們自然地一起滑動(dòng)并形成光滑的表面。

研究人員發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)對(duì)于消除枝晶形成非常有用。他們?cè)谖闹薪忉屨f(shuō)，鋰離子可以很容易地附著到納米金剛石上，所以當(dāng)離子平板化電極時(shí)，它們以與其所連接的納米金剛石顆粒以相同的方式進(jìn)行。在報(bào)告中提到，將納米金剛石混入鋰離子電池的電解液中，通過(guò)100次充電 - 放電循環(huán)將樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)減慢到零。

這就像一個(gè)俄羅斯方塊游戲：一堆不匹配的塊在危險(xiǎn)的接近“游戲結(jié)束”中相當(dāng)于一個(gè)樹(shù)突。將納米金剛石添加到混合物中就像使用代碼將每個(gè)新塊滑動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢靡酝瓿删€并防止形成威脅塔。

Gogotsi指出，他們團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)過(guò)程的開(kāi)始，最終可以找到合適的電解質(zhì)添加劑，如廣泛用于生產(chǎn)具有高能量密度的安全鋰電池的納米金剛石。初始結(jié)果已經(jīng)顯示出長(zhǎng)達(dá)200小時(shí)的穩(wěn)定的充放電循環(huán)，這足以在一些工業(yè)或軍事應(yīng)用中使用，但對(duì)于在膝上型電腦或手機(jī)中使用的電池來(lái)說(shuō)不足夠長(zhǎng)。研究人員還需要在不同的物理?xiàng)l件和溫度下在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)測(cè)試大量的電池，以確保枝晶永遠(yuǎn)不會(huì)生長(zhǎng)。

Gogotsi說(shuō)：“這可能是隨機(jī)變化的，但不能完全確定樹(shù)突不會(huì)增長(zhǎng)。” “我們預(yù)計(jì)這次提出的技術(shù)的首次使用將會(huì)在不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域中，而不是在手機(jī)或汽車(chē)電池中。為了確保安全性，電解質(zhì)添加劑（如納米金剛石）需要與其他預(yù)防措施相結(jié)合，如阻燃電解質(zhì)、更安全的電極材料和更強(qiáng)的分離器等。