如何檢測鋰金屬電池負極中的鋰枝晶，對于該技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)化應用起著至關(guān)重要的作用。

高工鋰電技術(shù)與應用(微信號：weixin-gg-lbte)獲悉，美國萊斯大學的研究者已經(jīng)開發(fā)出一種檢測系統(tǒng)，能夠在具有鋰金屬負極的雙電極電池中，不需要額外的電極，就可以提醒鋰枝晶的形成。

萊斯大學實驗室的專家詹姆斯·圖爾(James Tour)制作了在隔膜上帶有紅磷涂層的測試電池，使負極和正極電極保持分開。磷作為管理系統(tǒng)的“間諜”，用于通過檢測鋰枝晶的形成來對電池進行充電和監(jiān)測。

可充電鋰金屬電池中的一層紅磷可以在有害的鋰枝晶發(fā)生短路時發(fā)出信號。(圖片來源：萊斯大學)

鋰金屬電池因其高能量密度和功率密度而被認為是下一代技術(shù)。但在商業(yè)上，鋰金屬僅用于不可充電的一次電池，因為在充電時與枝晶生長相關(guān)的安全問題可能穿透隔膜并導致短路，火災和爆炸。傳統(tǒng)鋰離子電池中，在過充電時、過放電后充電以及高速充電也會發(fā)生枝晶生長。

關(guān)于鋰枝晶檢測的研究很少，唯一已知的方法是在連接到第三電極的隔板中使用Cu膜來檢測短路。增加的三電極電池的制造復雜性阻礙了這種大規(guī)模使用的應用。

“...如果檢測系統(tǒng)可以與鋰金屬負極結(jié)合使用，其中樹枝狀晶體的生長機會會降低，那么大規(guī)模生產(chǎn)安全的可充電鋰金屬電池就可以成為現(xiàn)實。我們在此描述了在普通的雙電極電池系統(tǒng)中使用紅磷(RP)涂層隔板進行鋰枝晶檢測。不需要額外的電極，并且可以簡單地基于電壓分布檢測鋰枝晶的存在。

選擇紅磷是因為a)它是非導電的，這對于制造或改進隔板是必不可少的，因為它不會增加形成內(nèi)部短路的風險; b)在室溫下呈化學惰性，易于加工，與各種電解質(zhì)相容; c)它與鋰金屬反應; d)價格低廉且廣泛可用。我們嘗試了其他絕緣或半導體材料，如Si，SiO2和S，但它們不能產(chǎn)生質(zhì)量負載≤4mgcm-2的可靠的樹突檢測信號。”

——詹姆斯·圖爾(James Tour)的論文原文

與常見的鋰離子負極相比，鋰金屬負極充電速度更快，容量約為其體積的10倍。然而，充入鋰的負極會形成樹枝狀晶體，如果它們到達正極，會導致短路并可能引起火災或爆炸。當枝晶到達紅色磷涂層隔膜時，電池的充電電壓會發(fā)生變化。這告訴電池管理系統(tǒng)停止充電。

詹姆斯在文章中表示，用第三電極制造電池非常困難。我們提出了一個靜電層，在電池充電時會產(chǎn)生電壓尖峰。這個尖峰是一個關(guān)閉它的信號。

同時，值得關(guān)注的是，紅色磷層對實驗室測試電池實驗中的正常性能沒有顯著影響。

研究人員建造了一個透明的測試電池，其中含有一種電解質(zhì)，可以加速正極的老化并促進樹枝狀晶體的生長。這讓他們在看到鋰枝晶生長的同時監(jiān)控電壓。

使用普通的隔膜，他們看到枝晶接觸并穿透分離器而電壓沒有變化，這種情況會導致正常的電池失效。但是，對于紅磷層，當枝晶與隔膜接觸時，它們觀察到電壓急劇下降。

半電池鋰金屬電池的圖像顯示樹枝狀晶體接近紅磷分離器。隔膜向電池的電子設(shè)備發(fā)出信號，以便在鋰枝晶可能造成短路時關(guān)閉。(圖片來源：萊斯大學)

去年，該實驗室推出的碳納米管薄膜似乎完全阻止了鋰金屬負極的枝晶生長。

詹姆斯吧表示，通過結(jié)合最近的兩項進展，可以減輕鋰枝晶的增長，并且有一項內(nèi)部保險政策，電池將在不太可能發(fā)生的情況下關(guān)閉，甚至單個枝晶也會開始向正極發(fā)展。

當電池導入大規(guī)模制造時，對于安全問題非常敏感，詹姆斯表示，他的工作為電池安全提供了進一步的保障。而且在產(chǎn)業(yè)化時更容易實現(xiàn)。