左：在锂阳极表面刷金属粉可以减少枝晶对可回收电池的危害。

右：电子显微镜扫描图像显示了莱斯大学科学家处理过的一系列锂箔。

在340次充电-放电循环后，阳极上附有磷/硫粉末薄膜的电池比标准电池的容量多70%。

研究人员提供了很多尝试提高锂离子电池性能方法，从而避免因枝晶而引起的退化，枝晶通常会影响锂离子电池性能并导致其失效。

来自莱斯大学（Rice University）的一组化学专家想出了一种相当简单的方法，将磷粉和硫粉刷到电池阳极表面上。莱斯化学实验室的研究人员与James Tour教授共同研发这种粉末，将其附着在阳极上，形成一层薄薄的锂化涂层，有效防止枝晶的形成。

战胜枝晶

枝晶是在电池电极上呈尖状，可以刺穿电池的阳极与阴极之间的屏障，与电解液接触。这会引起电池短路，甚至起火，不仅导致电池失效，还可能存在危险情况。

Tour的团队发现附着在锂金属箔表上的磷粉和硫粉无需使用有毒溶剂即可调节其表面能。研究人员表示，通过这种方式修饰的阳极，并与测试电池的磷酸铁锂阴极配对，可在340充电-放电循环后比现有电池的容量多70%。

Tour表示：“这或许可以简化高容量电池的制造，同时改进它们。将这些粉末状固体研磨到锂金属阳极中可显著减少造成电池短路的枝晶形成，同时也加速了材料消耗。”

找到合适的位置

他们表示，研究人员当时并没有意识到磷和硫的特殊组合正好适合眼前的工作。包括赖斯大学研究生Weiyin Chen在内的研究小组在电池电极上测试了各种粉末候选材料，看哪一种能达到预期效果——而且他们做了不止一次。。

涂刷的过程首先涉及一层表面层，以赋予阳极纹理，然后再涂刷一层粉末，在电极顶部形成一层细膜，与金属锂发生反应，形成固体钝化层。

Chen表示：“锂金属表面的粉末会产生一层人工钝化层，从而提高充电-放电循环的稳定性。通过粉刷方法，金属表面稳定，因此可以安全充电。”

团队中的一个成员Rodrigo Salvatierra是前博士后研究人员，现在是Tuor实验室的学术访客，Chen与他设计并组装了测试电池，以观察阳极的工作原理。

通过这些试验，经过处理过的阳极可维持所谓的超低极化超过4,000小时，是裸锂阳极的8倍。这表明了设备性能的改善，因为极化会降低电池的输出电压，是损坏锂离子电池的另一特性。

简化的行为

Tour表示，从本质上说，粉末有效地调节了电极的表面能量，从而在整个材料中产生了更均匀的行为，从而形成了一个更稳定的设备。

Tour在新闻发言中表示：“这提供了一种金属复合表面，防止锂金属从阳极流失，这是锂金属电池的一个常见问题。锂金属电池的容量远远超过传统锂离子电池，但锂金属通常很难反复充电。”

研究人员将相关论文发表在《Advanced Materials》杂志上。

Tour的团队还验证了，通过将粉末研磨成钠电极，他们的技术可能有更广泛的应用。研究人员表示，这一操作导致电极的电压过电位稳定。

将粉末粉刷在材料表面上的想法来自于Tour和莱斯机械工程同事早期的工作，通过将某些粉末打磨到表面，使表面具有超疏水性。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.10.28