新思路：利用周期性脈衝電流控制鋰電池中的枝晶生長！

在電池的鋰金屬陽極上，短促的電流會使帶刺的生長物變得扁平。研究人員表示，這種能引起電池燃燒的自我修復樹突方法可以用來製造更強大的電池。

研究人員在20世紀70年代開始嘗試採用鋰金屬作為陽極，其目的在於提高可充電電池的能量密度。而且其優點在於鋰離子電池中的薄層鋰電極可存儲大量攜帶能量的原子，這遠大於原始多孔材料製成的電極，例如石墨等多孔材料。然而，他們很快發現鋰陽極有一個致命的缺點就是其會導致自燃。

當鋰離子電池充電時，鋰離子從陰極流向陽極;而在放電期間，離子會以相反的方式流動。在鋰金屬陽極上，鋰離子離開並不均勻地返回到表面。這意味著經過多次充電循環後，被稱為樹突的刺狀突起開始在電極表面生長。隨著這些鋰枝晶的生長，它們可以刺穿電池中間的膜分離器，觸摸陰極並使電池短路。而這極大地可能會引發燃燒。

科學家通過在陽極上塗上部分可以阻擋、重定向或其本身的材料來控制枝晶的生長。而今，美國倫斯勒理工學院的Nikhil Koratkar及其同事近期開發出了一種新方法，即可以在這些枝晶引發問題之前將這些尖的鋰枝晶變平。

圖片來源：科學

研究人員用鋰箔陽極和陰極對鋰電池進行了50次循環充放電，其中，電流密度範圍為0.75mA / cm2至15mA / cm2。然後他們從每個電池中取出陽極並使用掃描電子顯微鏡觀察其表面結構。正如預期的那樣，在較低的電流密度下，電極上形成了樹枝狀晶體，這反映了其較低的充放電速率。隨著電流密度的增加，顆粒變得越來越大。

Koratkar說：「儘管我們看到鋰枝晶形貌變得越來越糟糕，但是我們依然進行了更高的充電/放電率測試，其中，在一個特定的位置，我們發現了一個新的樹枝狀晶體生長體系，其形貌開始有了好轉。當電流密度大於9mA / cm2時，樹枝狀晶體開始合併，電極表面變平滑。」

傳熱模擬顯示，電流密度約為15mA / cm2時，樹枝狀晶體周圍的溫度約增加到40-60℃。這種升高的溫度足以讓鋰原子在樹枝狀的尖端擴散到電極表面，但這個溫度下電池中的其他組件可以正常使用。

印度理工學院孟買分校的Amartya Mukhopadhyay表示，用高電流陣列管理樹突是違反了高電流密度增加枝晶形成的觀點。由於無法防止枝晶的形成，因此用周期性的脈衝電流將其扁平化是一種很好的管理方式，因為這樣不會讓它們生長太長，並且不需要在單元內部添加額外的材料。他還說，儘管研究人員測試這種方法是用鋰硫電池進行測試的，但原則上它可以與任何使用鋰金屬陽極的電池化學物質一起使用。

原文來自chemistryworld，原文題目：Fire-starting battery dendrites go with the flow，由材料科技在線匯總整理。

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