導讀
近日，美國萊斯大學的科學家們正在利用碳納米管制造出高性能、快速充電的鋰金屬電池，作為普通鋰離子電池的邏輯替代品。
背景
從智能手機到筆記本電腦再到電動汽車，幾乎所有的電子設備都離不開鋰離子電池。然而，鋰離子電池現在所達到的實際容量，已經越來越逼近其理論容量了，可是這個容量仍然無法滿足人們的需求。為了提升鋰電池的能量密度和容量，鋰金屬電池備受大家矚目。
顧名思義，鋰金屬電池，採用鋰金屬作為電池負極部分。在充電和放電時，鋰電池中的離子來回穿過電解質的負電極和正電極。石墨通常用於當今鋰離子電池的負極。然而，鋰金屬電池通過用鋰金屬取代石墨，可以儲存更多的能量。
然而，安全性問題嚴重阻礙了鋰金屬電池的商用。簡單說，這個問題就是鋰枝狀晶體，簡稱“鋰枝晶”或“枝晶”。外表上看，枝晶有點像“小石筍”。它從電池中無保護的鋰金屬負極上自然地長出。隨著時間推移，這些像觸鬚一般的枝晶會刺穿電池的電解質芯，最終到達正極，引起電池短路甚至起火。所以，鋰金屬電池一直被認為是低效、不穩定、甚至會引發火災的。
然而，科學家們一直在致力於解決這個問題。例如，筆者曾介紹過美國特拉華大學領導的國際科研團隊，開發出一種抑制鋰金屬電池中鋰枝晶形成的方法。
他們研究發現，全世界的各個研究小組都在嘗試不同的技術抑制鋰枝晶的形成與生長。然而，幾乎所有這些技術都應用了所謂的“保護傘”：在系統中引入一層有孔材料，阻礙在負極聚集的鋰枝晶生長。通過採用數據模型，研究團隊發現多孔材料可抑制枝晶的形成與生長。採用這項技術形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系統中形成的枝狀晶體要短75%。
（圖片來源：Joy Smoker / 特拉華大學）
創新
近日，萊斯大學化學家 James Tour 的實驗室展示了超薄的納米管薄膜，可以有效地阻止“枝晶”的生成。他們利用碳納米管制造出高性能、快速充電的鋰金屬電池，作為普通鋰離子電池的邏輯替代品。
下圖所示：經過500次充放電循環測試後，鋰金屬負極的顯微圖像。在左邊的圖案中，萊斯大學展示了，通過碳納米管薄膜的保護，晶枝在負極的生長得到了抑制。然而，在右邊的圖案中，未經保護的鋰金屬負極顯示出晶枝生長的跡象。
Tour 表示：“減緩鋰離子電池中生成晶枝的一種辦法就是，限制它們的充電速度。可是，人們不喜歡這麼做。他們想要更快速地充電。”
萊斯大學團隊的方法於發表在《先進材料（Advanced Materials）》期刊上的論文中得到了詳細描述。Tour 稱，這個方法可以簡單、便宜、高效地阻止晶枝生長。
下圖所示，左：萊斯大學化學家 James Tour，中：研究生 Gladys López-Silv，右：博士後研究員 Rodrigo Salvatierra 採用碳納米管抑制鋰金屬電池中的晶枝生長。這種鋰金屬電池比現有的鋰離子電池充電速度更快，含有的能量更多。
（圖片來源： Jeff Fitlow）
技術
他說：“我們所做的非常簡單。你只需要為鋰金屬薄片塗上一層多壁碳納米管薄膜。鋰滲透進納米管薄膜，薄膜從黑色變成紅色，並相應地散發出鋰離子。”
下圖所示：萊斯大學科學家們探索出多壁碳納米管膜可以抑制鋰金屬基電池中的晶枝生長。
下圖所示：萊斯大學研究生 Gladys López-Silva 手持具有碳納米管薄膜的鋰金屬陰極。一旦薄膜粘貼上之後，它會被鋰離子滲透而變成紅色。
（圖片來源： Jeff Fitlow）
萊斯大學博士後研究員、與研究生 Gladys López-Silva 一同作為論文領導作者的 Rodrigo Salvatierra 表示：“鋰金屬的物理接觸弱化了納米管薄膜，但是通過增加鋰離子平衡了它。離子通過納米管薄膜分散開來。”
當使用電池的時候，薄膜排放出存儲的離子，其下方的鋰負極重新裝滿它，使得薄膜阻止晶枝生長的能力得以保持。
下圖展示了萊斯大學開發的鋰金屬陰極是如何通過碳納米管薄膜抑制晶枝形成的。
價值
這種糾纏的納米管薄膜，配合實驗室在之前實驗中開發的硫化碳陽極，可以跨越測試電池的580次充放電循環，有效地阻止晶枝生長。研究人員報告稱，全鋰金屬電池保持了99.8%的庫倫效率，庫倫效率描述了電子在電化學系統中運動的情況有多好。
關鍵字
電池、碳納米管、鋰
【1】http://news.rice.edu/2018/10/25/nanotubes-may-give-the-world-better-batteries-2/
【2】http://dx.doi.org/10.1002/adma.201803869
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