科學(xué)家通過在鋰金屬表面涂覆碳納米管薄膜來制備高性能電池

萊斯大學(xué)的科學(xué)家們正在研究使用碳納米管薄膜來制造高性能、快速充電的鋰金屬電池，以合理地替代普通的鋰離子電池。

萊斯大學(xué)James Tour實驗室的研究成員揭示了納米管薄膜可有效地阻止電池中無保護鋰金屬陽極中枝晶的自然生長。隨著時間的推移，這些觸須狀的樹枝可以穿透電池的電解質(zhì)核心并到達陰極，最終導(dǎo)致電池失效。

這一難題雖阻礙了鋰金屬在商業(yè)市場中的應(yīng)用，但又鼓勵了世界各地的研究人員來解決這一問題。

鋰金屬的充電速度比幾乎所有電子設(shè)備（包括手機和電動汽車）中的鋰離子電極要快得多，而且其體積所能容納的能量約為鋰離子電極的10倍。

Tour教授說：“鋰離子電池中減慢樹枝晶生長的方法之一就是限制電池的充電速度。但現(xiàn)實中人們并不喜歡這樣。他們反而希望充電速度能夠更快些?！?/span>

他還繼續(xù)說道：“我們的研究團隊在《先進材料》雜志上對這個問題的解決方案進行了詳細的描述，這種方法既很簡單，成本又低廉，而且在阻止枝晶生長方面非常有效?！?/span>

Tour教授解釋道：“我們做的所有工作其實都很簡單，只需要給一個金屬鋰箔表面涂上一層多壁碳納米管薄膜即可。納米管薄膜附著在鋰金屬表面上，薄膜會從黑色變?yōu)榧t色，而如果將薄膜反過來時又可以促使了鋰離子進行擴散。

萊斯大學(xué)研究人員進行500次充放電循環(huán)后，金屬鋰陽極的形貌如圖所示，左圖電極有一層碳納米管阻止著枝晶的生長。右圖是無保護的金屬鋰陽極中出枝晶生長的形貌

圖片來源：Tour研究小組/萊斯大學(xué)

萊斯大學(xué)博士后研究員 Rodrigo Salvatierra說：“與金屬鋰的物理接觸會對納米管薄膜產(chǎn)生損耗，但可以通過增加鋰離子使其保持平衡，而且這些鋰離子分布在納米管膜上。”

當(dāng)使用電池時，納米管薄膜會將儲存的離子進行放電，而底層的鋰陽極則重新充電，從而保持了薄膜阻止枝晶生長的能力。

在先前的實驗中，我們利用硫化碳陰極，對電池進行了超過580個充放電周期的測試，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的納米管薄膜可有效的淬滅了枝晶的生長。研究人員報告說，完整的鋰金屬電池保留了99.8%的庫侖效率，而這是衡量電子在電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi)運動好壞的依據(jù)。

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