電池內(nèi)部自熱效應(yīng)或可消除鋰電池陽極樹突堆積

鋰電池是一種以鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的一次電池，與可充電電池鋰離子電池跟鋰離子聚合物電池是不一樣的。隨著二十世紀(jì)末微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)備日益增多，對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。

鋰金屬陽極電池的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨陽極的鋰離子電池，但也因?yàn)楫a(chǎn)生嚴(yán)重的枝晶問題遲遲無法將之大規(guī)模商業(yè)化。不過科學(xué)家現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，如果在高電流密度下循環(huán)充放電增強(qiáng)電池自熱效應(yīng)，此舉竟然可以“治愈”鋰電池的樹突結(jié)構(gòu)。

可充電鋰離子電池是消費(fèi)型電子產(chǎn)品主要應(yīng)用的電池，并日益成為電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的首選電池，其正極(陰極)為鋰金屬氧化物，負(fù)極(陽極)則是石墨。但科學(xué)家并沒有放棄能量密度更高的鋰金屬電池，孜孜不倦地試圖為更強(qiáng)大的鋰金屬電池尋找出路。

美國壬色列理工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)研究人員現(xiàn)在便找到一種利用電池內(nèi)部熱能來將枝晶擴(kuò)散成光滑層的方法，或者如研究領(lǐng)導(dǎo)者材料科學(xué)與工程學(xué)系教授Nikhil Koratkar所述，枝晶可以透過電池自熱效應(yīng)“就地修復(fù)”，論文發(fā)布在《科學(xué)》期刊。

我們知道電池基本由陰極、陽極、電解液、隔離膜組成，其中隔離膜位于兩電極之間以防止彼此接觸使電池短路，此外隔離膜吸滿電解質(zhì)的孔隙是離子(帶電原子)穿梭于電極之間的通道，隔離膜吸收越多電解質(zhì)，離子傳導(dǎo)率越高。

電池放電時(shí)，陽極上帶正電的鋰離子傳輸?shù)疥帢O產(chǎn)生電力;電池充電時(shí)，鋰離子從陰極流回陽極，而以鋰金屬作為陽極的電池在反覆充放電過程中，陽極表面容易因?yàn)殇嚦练e不均勻而形成枝晶，這些棘手的堆積物最終會(huì)穿透隔離膜接觸到陰極，導(dǎo)致電池短路，引發(fā)爆炸火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

以石墨為陽極則避免了鋰枝晶問題，是目前最好的電池選擇，但很快地，它們可能也不能再跟上儲(chǔ)存容量需求。

為了讓鋰金屬電池發(fā)揚(yáng)光大，研究人員提出的解決方案是利用電池的內(nèi)部電阻加熱(Resistive heating)來消除枝晶堆積。電阻加熱(也稱為焦耳加熱，Joule heating)是一種金屬材料抵抗電流并因此產(chǎn)生熱量的過程，這種“自熱”效應(yīng)可以通過充放電過程發(fā)生。

于是研究人員透過增加電池的電流密度(充電 – 放電速率)來增強(qiáng)自熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這過程可以讓枝晶均勻平滑擴(kuò)散，達(dá)到“治愈”的效果，在鋰硫電池實(shí)驗(yàn)中也有相同結(jié)果。所以，當(dāng)電池不使用的時(shí)候，就可以透過循環(huán)高速率充放電幾個(gè)周期，來達(dá)到電池“自愈”療效。

研究聽起來似乎極有前景，增壓充電就可以使電池恢復(fù)活力，阻止樹突引起的短路，保證電池更安全又擁有高能量密度。