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圖片來源：岡山大學(xué)

 

      鋰離子電池是非常常見的可充電電池，功能多樣，且可應(yīng)用于手機、汽車等各種電子設(shè)備中。不過，它也有缺點，與鋰離子電池有關(guān)的起火事件頻發(fā)，也引起人們對其是否具有安全性產(chǎn)生擔(dān)憂。現(xiàn)在，科學(xué)家們了解到，可能是因采用了破損或未經(jīng)授權(quán)的充電器造成起火事件。通常，充電器使用不當(dāng)以及電池過度充電就會導(dǎo)致電池的負(fù)極上形成一種尖尖的結(jié)構(gòu)，稱為“鋰枝晶”（樹突），能夠穿破負(fù)極與正極之間的屏障，導(dǎo)致電池短路。因此，準(zhǔn)確地了解到此類樹突是如何形成的，對于提高鋰離子電池的安全性至關(guān)重要。

 

      據(jù)外媒報道，日本岡山大學(xué)（Okayama University）的科學(xué)家在副教授Kazuma Gotoh的帶領(lǐng)下，在了解樹突如何形成方面邁出了重要一步。他們研究了鋰離子電池中樹突形成的確切機制，并克服此類限制，從而讓鋰離子電池能夠更好地得到實際應(yīng)用。

 

      此前有關(guān)理解鋰枝晶（樹突）形成過程的研究在一定程度上是成功的：揭示了當(dāng)電池過度充電時，在電池循環(huán)的過度鋰化階段，就會形成樹突。但是，此類實驗都是在實際電化學(xué)環(huán)境之外（非現(xiàn)場原位）進行的，因此沒有發(fā)現(xiàn)樹突開始形成的確切時間。在此次研究中，Gotoh博士與其團隊決定克服這一限制。他們認(rèn)為，通過利用現(xiàn)場原位法（復(fù)制電化學(xué)環(huán)境），應(yīng)用一種稱為核磁共振（NMR）的分析技術(shù)，可以精確地跟蹤材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的鋰原子，而此種做法在使用非原位法時根本無法進行。

 

      利用此種方法，該團隊曾成功在鋰離子電池的過度鋰化階段，觀察到石墨電極和硬碳電極（兩種負(fù)極）的過度充電狀態(tài)。在新研究中，研究人員在鋰化和脫鋰過程（電池充放電循環(huán)）中，觀察到此類電極的狀態(tài)。NMR分析幫助研究人員追蹤過度充電的電池上枝晶（樹突）開始形成以及鋰開始沉積的確切時間。在石墨電極中，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰枝晶（樹突）是在電極完全鋰化不久后形成的。在硬碳電極中，研究人員觀察到，只有在硬碳的孔隙中出現(xiàn)準(zhǔn)金屬鋰簇后，才會形成枝晶（樹突）。因此，研究人員推斷，當(dāng)電池被過度充電時，準(zhǔn)金屬鋰簇的形成對鋰枝晶的形成起到緩沖作用。他們甚至對鈉離子電池也進行了同樣的分析，并發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。Gotoh博士解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)部有孔的碳材料（如無定形碳）在電池過度充電時，可以對鋰和鈉枝晶的沉積起到緩沖作用，這對于確保鋰離子電池和鈉離子電池的安全性至關(guān)重要。”

 

      Gotoh博士與其團隊揭示了鋰離子電池和鈉離子電池枝晶（樹突）的形成機制，對確保電池的安全性提供了有用的見解。事實上，這些科學(xué)家對未來可以將此類發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于其他類型的可充電電池持樂觀態(tài)度。Gotoh博士表示：“我們的發(fā)現(xiàn)不僅可應(yīng)用于鋰離子電池和鈉離子電池，還可用于下一代二次電池，如全固態(tài)電池。”