“苔蘚”VS“樹突”——鋰電池的雙重性格

材料牛注：科學家研究發現，鋰電池工作時竟然也會“精神分裂”，有時候幻想自己是“苔蘚”，緩慢生長；有時候又認為自己是“樹突”，快速擴張。那么到底哪個才是真正的鋰電池呢？一起來探索吧！

圖1 兩種不同類型的鋰沉積微觀形貌圖

圖注：右圖中掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示出兩種類型的鋰沉淀，頂端由基體生長出的大體積苔蘚類型和底部由末梢生長出的針狀樹枝類型。左圖的SEM圖像顯示陶瓷材料阻擋層對苔蘚沉淀生長的限制效應。

鋰金屬電極作為提高電池能量存儲量而不增加重量的主要競爭者，一直以來受到研究人員的關注。但鋰金屬形態的問題阻礙了研究人員的工作：當給電池充電時，手指狀的鋰沉積會在金屬表面形成，它會損害電池性能，甚至使其短路造成電池受損或報廢。

這些沉淀是如何形成的呢？目前，MIT的一組研究人員稱他們已經對其進行了最詳細的分析，并報道實際上有兩種完全不同的機制在起作用。雖然兩種形式的沉淀都由鋰金屬絲組成，但它們的生長方式取決于外加電流。在低速率下，成串的苔蘚沉淀形成，最終從根部生長，相對容易控制。而更加稀疏并迅速發展的樹突只在末梢生長。研究人員稱這種樹枝狀類型的沉淀更難處理，是研究工作中的主要難題。

本周，它們的研究成果在Energy and Environmental Science期刊上發表。論文作者有高級博士后Peng Bai；核科學與工程的Battelle能源聯盟教授兼材料科學與工程教授Ju Li；化學工程助理教授Fikile Brushett；以及the E. G. Roos （1944）化學工程教授兼數學教授Martin Z. Bazant。

Bazant稱：“這項研究使我們在理論和實驗上對鋰金屬的生長有了基礎性的認識，證明確實有兩種不同的生長方式。”雖然早已知道這種生長發生在鋰表面，但是這是第一次研究這兩種不同的類型——從基體緩慢增長的苔蘚和由生長出的末梢快速擴展的樹突。

他表示雖然先前的研究一直把兩種生長類型歸在一起，專業名詞稱之為“樹突”，但是新的研究說明了每種不同的生長方式發生的精確條件，以及苔蘚類型如何相對容易控制。

研究團隊發現由根部生長的苔蘚式生長能夠通過添加分離層將其阻礙，這種分離層由納米多孔陶瓷材料（一種含有納米或十億分之一米大小微孔的海綿狀材料）制成。相反，由末梢生長的樹突式生長不容易阻礙，但幸運的是這種方式不會發生在實際的電池中。因為這些電池的正常工作電流比相應的由末梢處生長的沉淀的特征電流低得多，所以除非電解質發生顯著地降解，否則這種沉淀不會形成。

圖2 兩種不同的鋰沉積生長

圖注：基于根部生長的苔蘚類型，緊隨其后的是更快的基于末梢的針狀樹突生長。

Bai解釋說，原則上，在特定的存儲容量和輸出電流下，用金屬鋰取代傳統的碳電極可以減少鋰離子電池一半的重量和體積。但是在二次充電時，因為對這些表面沉淀的產生所知甚少，阻礙了這種電池的發展。除非以某種方式控制它們，否則那些小纖維會穿過分離層（在電池內部）并引起爆炸或火災。

即使不足以產生如此高的破壞，這些細絲也會漸漸減少電池的儲存能力并使其隨著時間漸漸退化。現在，這項研究顯示，對給定的電池元件這些生長方式可以在較低的電流水平得到有效控制，并表明電池性能的極限所在，從而避免由樹突細絲帶來的危害。

阻礙苔蘚式生長的分離層由氧化鋁電極（AAO）組成，這種分離層有60微米厚，沿其厚度方向整齊排列著納米孔隙。Bai表示：“這是一項重大的發現，因為它能夠解釋為什么當你使用陶瓷分離層時，有時候會有更好的充電放電循環性能。”研究表明柔性復合陶瓷分離層應當應用于鋰金屬電池以到達阻礙根部生長出苔蘚狀的鋰沉淀的目的。例如那些在傳統聚烯烴分離層上噴涂陶瓷顆粒而制成的分離層。

Bazant解釋說，因為第二種類型的增長機制沒有確切地觀察到，從而大多數以前對鋰金屬電極的研究都在低電流或低電池容量的條件下進行。MIT的研究團隊在更高的電流下進行的測試清楚地揭示了兩種不同類型的增長機制。

Bazant表示，他的團隊創新實驗室設置的發展使得這項成果得以實現。一個玻璃毛細管元件，讓你看到沉淀的生長，并使你可以看到一種生長機制是從哪里轉變到另一種的。先前的研究主要依靠電測量來推斷電池內部發生了什么，但是能夠看到電池本身的運轉使得兩種機制的不同更加清晰。緩慢的苔蘚式生長機制持續一段時間，然后在某一電流下，突然間，這個小指（即鋰）沉淀出。它可以讓你精確地看到樹突什么時候開始出現。

Bazant總結道，這項新發現將使得電池研究人員更好地理解潛在的科學原理，并說明“能夠實現什么樣的速率和容量極限。

原文鏈接：In batteries, a metal reveals its dual personality

文獻鏈接：Transition of lithium growth mechanisms in liquid electrolytes

本文由編輯部劉萬春提供素材，段慧超編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。