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

高工鋰電技術(shù)與應(yīng)用(微信號：weixin-gg-lbte)獲悉，美國萊斯大學(xué)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(fù)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(xué)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(fù)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(xué))

鋰金屬電池因其高能量密度和功率密度而被認(rèn)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(dǎo)致短路，火災(zāi)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(fù)雜性阻礙了這種大規(guī)模使用的應(yīng)用。

“...如果檢測系統(tǒng)可以與鋰金屬負(fù)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(dǎo)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(fēng)險; b)在室溫下呈化學(xué)惰性，易于加工，與各種電解質(zhì)相容; c)它與鋰金屬反應(yīng); d)價格低廉且廣泛可用。我們嘗試了其他絕緣或半導(dǎo)體材料，如Si，SiO2和S，但它們不能產(chǎn)生質(zhì)量負(fù)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(fù)極相比，鋰金屬負(fù)極充電速度更快，容量約為其體積的10倍。然而，充入鋰的負(fù)極會形成樹枝狀晶體，如果它們到達正極，會導(dǎo)致短路并可能引起火災(zāi)或爆炸。當(dāng)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(dǎo)致正常的電池失效。但是，對于紅磷層，當(dāng)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(xué))

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(fù)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(dāng)電池導(dǎo)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)。