驯服树突可能带来更好的锂离子电池

研究人员已经了解了锂离子电池中由“树突”的形成和生长引起的一种常见故障的机制，这一发现有助于设计出更快的充电和更长时间的电池。

树突是在电池内部生长的锂结构。由于它们在暴露于快速充电所需的大电流时生长得更快，枝晶限制了充电速度。

普渡大学材料工程学教授埃德温·加西亚说：“我们都有过在机场等手机充电两三个小时的经历。”“更好地控制枝晶生长将导致更快的充电。”.

电池有两个电极，称为阳极和阴极，由绝缘聚合物隔开。生长在针状形状中的枝晶可能会破坏分离阻挡层，破坏电池。

新的研究结果在11月1日发表在“纳米能源”(NanoEnergy)杂志上的一篇在线论文中得到了详细介绍，并将在未来的印刷期上发表。这篇论文由研究生Aniruddha Jana和García撰写。

他们以前的研究侧重于树突的基本机制和电化学。

加西亚说：“从那以后，我们发现实际上这个问题比我们想象的要复杂得多，那就是存在着内部的行为机制。”

已经知道树突有两种生长模式。在一种模式中，锂在地层的尖端或盖层上累积，产生逐渐膨胀。在第二种模式下，枝晶从底部生长，这比尖端膨胀更快、更危险。

然而，到目前为止，第二种增长形式的机制尚不清楚。研究发现，在盖子中加入锂会产生压力，从而导致基底的指数增长。

"结果证明锂是一种牙膏的管子，"说."它真的很柔软，当你加入锂时，它就会应力枝晶，就像挤压管子一样。它只是喷出了。"

这一发现还揭示了第三种枝晶生长模式--混合生长机制，它将这两种模式结合在一起。

新发现将结合到更复杂的模型中，以研究和预测枝晶生长和改进的电池设计。

“了解枝晶生长的机制是控制它们的第一步，”他说。“这使我们能够找到更现实的策略来减缓树枝晶的生长，从而使电池更加安全，并找到更好的充电策略。”

解决这一问题的一种方法是促使锂均匀地、相对平坦地生长，而不是以非均匀和有针对性的方式生长。异质生长意味着枝晶在阳极表面的不同位置不均匀地生长。García说，如果它们能够以一种更加可控的方式均匀生长，那么电池的设计就可以适应这种增长，从而防止地层到达阴极。

枝晶对诸如锂阳极的电池和锂空气电池的新兴类型的电池构成了更加显著的问题。

今天的电池中的阳极是由碳构成的，而这些新型电池中的阳极将由纯锂制成，这将使电池的容量增加10倍，但更容易受到树突的影响。

研究人员建立了一个“枝晶生长动力学统一的理论框架”，评估了不同的枝晶形成和生长驱动力的贡献，并确定了五种“锂生长机制”。

García说：“这些发现为设计无树枝状锂基阳极提供了路线图，作为确定无树突化学物质的垫脚石。”

Jana对研究进行了数学计算，并创建了与电池正被充电时的枝晶生长相关的各种类型的微结构的目录。

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