從智能手機到電動汽車，鋰離子電池在許多電子產品中都扮演了至關重要的角色。可是，鋰離子電池的實際容量已越來越逼近其理論容量。不過，這一容量仍無法滿足人類需求。鋰金屬電池，作為一種能提供更高能量密度與容量的備選方案，受到了大家的廣泛關注。

首先，澄清一點，鋰金屬電池與鋰離子電池是兩個不同的概念。鋰離子電池（Lithiumionbattery,LIB），是指基于鋰離子在電解液中遷移而運轉的電池，最常見是的采用石墨之類的材料作為負極（Anode）；鋰金屬電池（Lithiummetalbattery,LMB）是指采用金屬鋰作為負極材料的電池，與其相搭配的正極材料可以是氧氣、單質硫、金屬氧化物等物質。

那么，鋰金屬電池為什么沒和鋰離子電池一樣大規模商用呢？原因是主要是安全問題。簡單一點說，“罪魁禍首”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”，它從鋰金屬負極上自然地生長出來。隨著時間推移，枝晶會刺穿電池的電解質芯到達正極，引起電池短路甚至起火。長期以來，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，研究人員們一直在致力于解決鋰金屬電池中的“枝晶”問題。為此，筆者也曾介紹過兩個典型的科研案例：

1）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，目前嘗試抑制枝晶的形成與生長的技術幾乎都應用了所謂的“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。研究團隊采用數據模型發現，多孔材料可抑制枝晶的形成與生長。采用該技術形成的枝晶，比不含多孔薄膜的系統中形成的枝晶要短75%。

2）美國萊斯大學的科研人員的研究表明，超薄的納米管薄膜可有效地阻止“枝晶”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，有望成為普通鋰離子電池的邏輯替代品。

創新

今天，筆者要再為大家介紹一個創新成果，它同樣也是解決鋰金屬電池中的“枝晶”問題。

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的研究表明，更持久、更快充電、更安全的鋰金屬電池將成為可能。研究人員將他們的成果發表在《自然能源（NatureEnergy）》。

技術

近日，研究人員們開發出一種依附于電池陽極電鍍金屬的三維交聯聚合物海綿。這個項目的首席研究員、機械工程系教授DonghaiWang表示：“這個項目致力于開發下一代金屬電池。幾十年來，鋰金屬一直被試驗用于電池，但是有一些基本問題阻礙了他們的進展?！痹诟郊討儣l件下，例如電動汽車所需要的快速充電，鋰離子電池更容易形成枝晶。

Wang解釋道：“我們的方案是在鋰金屬界面上采用聚合物?！边@種材料作為一種多孔海綿使用，不僅提升了鋰離子傳輸，同時也抑制了材料的惡化。

他說：“這使得電鍍金屬上不會形成晶枝，即使在溫度非常低以及快速充電的條件下?！?br/>
Wang表示：“一群人的合作真正地幫助推進了這篇論文。它使得我們分別從材料科學、化學工程、化學和機械工程的角度，檢查這個問題的不同方面。”

在這項合作研究中，材料科學與工程系Long-QingChen的小組為這項工作進行了建模，用于理解對于鋰金屬陽極材料的改善。

價值

研究人員稱，這項研究的實際應用將是帶來更加強大與穩定的金屬電池，這種金屬電池對日常生活來說是不可或缺的。

Wang表示：“在電動汽車中，它可以提高一次充電形勢的距離達幾百英里，也可以讓智能手機擁有更長的電池壽命。”

未來

展望未來，團隊將開拓大幅面電池方面的實際應用，從而論證它的優勢和可行性。

Wang表示：“我們想要推動這些技術前進。通過這項研究，我們樂觀地認為我們將使這些鋰金屬電池的生命周期翻倍?！?/p>