左：在鋰陽極表面刷金屬粉可以減少枝晶對可回收電池的危害。
右：電子顯微鏡掃描圖像顯示了萊斯大學科學家處理過的一系列鋰箔。
在340次充電-放電循環后，陽極上附有磷/硫粉末薄膜的電池比標準電池的容量多70%。
研究人員提供了很多嘗試提高鋰離子電池性能方法，從而避免因枝晶而引起的退化，枝晶通常會影響鋰離子電池性能并導致其失效。
來自萊斯大學（Rice University）的一組化學專家想出了一種相當簡單的方法，將磷粉和硫粉刷到電池陽極表面上。萊斯化學實驗室的研究人員與James Tour教授共同研發這種粉末，將其附著在陽極上，形成一層薄薄的鋰化涂層，有效防止枝晶的形成。
戰勝枝晶
枝晶是在電池電極上呈尖狀，可以刺穿電池的陽極與陰極之間的屏障，與電解液接觸。這會引起電池短路，甚至起火，不僅導致電池失效，還可能存在危險情況。
Tour的團隊發現附著在鋰金屬箔表上的磷粉和硫粉無需使用有毒溶劑即可調節其表面能。研究人員表示，通過這種方式修飾的陽極，并與測試電池的磷酸鐵鋰陰極配對，可在340充電-放電循環后比現有電池的容量多70%。
Tour表示：“這或許可以簡化高容量電池的制造，同時改進它們。將這些粉末狀固體研磨到鋰金屬陽極中可顯著減少造成電池短路的枝晶形成，同時也加速了材料消耗。”
找到合適的位置
他們表示，研究人員當時并沒有意識到磷和硫的特殊組合正好適合眼前的工作。包括賴斯大學研究生Weiyin Chen在內的研究小組在電池電極上測試了各種粉末候選材料，看哪一種能達到預期效果——而且他們做了不止一次。。
涂刷的過程首先涉及一層表面層，以賦予陽極紋理，然后再涂刷一層粉末，在電極頂部形成一層細膜，與金屬鋰發生反應，形成固體鈍化層。
Chen表示：“鋰金屬表面的粉末會產生一層人工鈍化層，從而提高充電-放電循環的穩定性。通過粉刷方法，金屬表面穩定，因此可以安全充電。”
團隊中的一個成員Rodrigo Salvatierra是前博士后研究人員，現在是Tuor實驗室的學術訪客，Chen與他設計并組裝了測試電池，以觀察陽極的工作原理。
通過這些試驗，經過處理過的陽極可維持所謂的超低極化超過4,000小時，是裸鋰陽極的8倍。這表明了設備性能的改善，因為極化會降低電池的輸出電壓，是損壞鋰離子電池的另一特性。
簡化的行為
Tour表示，從本質上說，粉末有效地調節了電極的表面能量，從而在整個材料中產生了更均勻的行為，從而形成了一個更穩定的設備。
Tour在新聞發言中表示：“這提供了一種金屬復合表面，防止鋰金屬從陽極流失，這是鋰金屬電池的一個常見問題。鋰金屬電池的容量遠遠超過傳統鋰離子電池，但鋰金屬通常很難反復充電。”
研究人員將相關論文發表在《Advanced Materials》雜志上。
Tour的團隊還驗證了，通過將粉末研磨成鈉電極，他們的技術可能有更廣泛的應用。研究人員表示，這一操作導致電極的電壓過電位穩定。
將粉末粉刷在材料表面上的想法來自于Tour和萊斯機械工程同事早期的工作，通過將某些粉末打磨到表面，使表面具有超疏水性。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.10.28