研究人员研发出新型二维电池隔膜 可使锂金属电池寿命翻倍

传统锂离子电池的能量密度已接近饱和点，无法满足未来电动汽车等应用的需求。与锂离子电池相比，锂金属电池每单位重量可以提供两倍的能量。但是锂金属电池的应用有一个很大的问题，锂金属阳极上会形成锂枝晶。这是一种小针状结构，形状类似洞穴中的石笋。这些枝晶会继续生长，直到刺破隔膜，导致电池短路，最终损坏电池。

(资料来源:耶拿弗里德里希·席勒大学)

多年来，全世界的专家都在寻找解决这个问题的方法。据国外媒体报道，近日，来自耶拿弗里德里希·席勒大学的科学家以及来自波士顿大学(BU)和韦恩州立大学(WSU)的同事成功阻止了锂金属电池中树枝状晶体的形成，使电池的寿命延长了一倍以上。

在电荷转移过程中，锂离子在阳极和阴极之间来回移动。它们每获得一个电子，就会沉积一个锂原子，这些原子就会在阳极上堆积。在堆积处，晶面会三维生长，从而形成枝晶。膜的孔隙率将影响枝晶的成核。如果离子迁移更加均匀，可以避免枝晶成核。

耶拿大学的Andrey Turchanin教授解释说:“这就是为什么我们将极薄的碳二维膜应用于隔膜。碳二维膜的孔径小于1纳米，小于临界核尺寸，因此可以阻止枝晶形核。锂不再形成树枝状结构，而是以光滑膜的形式沉积在阳极上。”这样不仅不会损坏隔膜，也不会影响电池功能。

耶拿大学的安东尼·乔治(Antony Geore)博士说:“为了测试这种方法，我们用混合隔膜给测试电池充电了几次。结果发现，即使经过数百次充放电循环，也没有检测到枝晶生长。”

WSU副教授Leela Mohana Reddy Arava表示:“新方法的关键创新在于，在不改变当前电池生产工艺的情况下，仅通过超薄膜就可以稳定电极/电解质界面。界面稳定性是提高电化学系统性能和安全性的关键。”

在与现代电动汽车(EV)的电池重量/体积相同的情况下，高能量密度电池延长了EV的续航里程，并使便携式电子设备在一次充电后的续航时间更长。WSU的研究生Sathish Rajendran说:“与电池的其他组件相比，隔膜受到的关注最少，但隔膜上纳米厚的二维薄膜正在影响电池的寿命。”

研究小组认为这一发现可能会带来新一代锂电池，因此他们申请了专利。接下来，他们将研究如何将二维膜的应用整合到生产过程中。此外，研究人员希望将这一发现应用于其他类型的电池。传统锂离子电池的能量密度已接近饱和点，无法满足未来电动汽车等应用的需求。与锂离子电池相比，锂金属电池每单位重量可以提供两倍的能量。但是锂金属电池的应用有一个很大的问题，锂金属阳极上会形成锂枝晶。这是一种小针状结构，形状类似洞穴中的石笋。这些枝晶会继续生长，直到刺破隔膜，导致电池短路，最终损坏电池。

(资料来源:耶拿弗里德里希·席勒大学)

多年来，全世界的专家都在寻找解决这个问题的方法。据国外媒体报道，近日，来自耶拿弗里德里希·席勒大学的科学家以及来自波士顿大学(BU)和韦恩州立大学(WSU)的同事成功阻止了锂金属电池中树枝状晶体的形成，使电池的寿命延长了一倍以上。

在电荷转移过程中，锂离子在阳极和阴极之间来回移动。它们每获得一个电子，就会沉积一个锂原子，这些原子就会聚集起来……阳极上的后期。在堆积处，晶面会三维生长，从而形成枝晶。膜的孔隙率将影响枝晶的成核。如果离子迁移更加均匀，可以避免枝晶成核。

耶拿大学的Andrey Turchanin教授解释说:“这就是为什么我们将极薄的碳二维膜应用于隔膜。碳二维膜的孔径小于1纳米，小于临界核尺寸，因此可以阻止枝晶形核。锂不再形成树枝状结构，而是以光滑膜的形式沉积在阳极上。”这样不仅不会损坏隔膜，也不会影响电池功能。

耶拿大学的安东尼·乔治(Antony Geore)博士说:“为了测试这种方法，我们用混合隔膜给测试电池充电了几次。结果发现，即使经过数百次充放电循环，也没有检测到枝晶生长。”

WSU副教授Leela Mohana Reddy Arava表示:“新方法的关键创新在于，在不改变当前电池生产工艺的情况下，仅通过超薄膜就可以稳定电极/电解质界面。界面稳定性是提高电化学系统性能和安全性的关键。”

在与现代电动汽车(EV)的电池重量/体积相同的情况下，高能量密度电池延长了EV的续航里程，并使便携式电子设备在一次充电后的续航时间更长。WSU的研究生Sathish Rajendran说:“与电池的其他组件相比，隔膜受到的关注最少，但隔膜上纳米厚的二维薄膜正在影响电池的寿命。”

研究小组认为这一发现可能会带来新一代锂电池，因此他们申请了专利。接下来，他们将研究如何将二维膜的应用整合到生产过程中。此外，研究人员希望将这一发现应用于其他类型的电池。

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