鋰金屬電池是當(dāng)今普遍使用的鋰離子架構(gòu)的更有前途的替代品之一，有可能容納多倍的能量。材料科學(xué)家已經(jīng)朝著這個(gè)未來(lái)邁出了一步，展示了如何在循環(huán)過(guò)程中對(duì)鋰金屬電池施加非常特定的壓力可以防止觸手狀生長(zhǎng)的形成，否則會(huì)導(dǎo)致它們被破壞。

鋰金屬電池之所以有如此大的前景，是因?yàn)樗鼈儗で笫褂眉冧嚱饘僮鳛樨?fù)極材料，這種材料的能量是當(dāng)今使用的石墨的 10 倍。然而，阻礙這項(xiàng)技術(shù)的問(wèn)題在于，隨著電池的循環(huán)和鋰離子與陽(yáng)極的相互作用，它們會(huì)在表面形成稱(chēng)為枝晶的生長(zhǎng)物。這些突起會(huì)導(dǎo)致電短路和起火，并迅速導(dǎo)致電池失效。

因此，該領(lǐng)域的許多研究都集中在防止枝晶生長(zhǎng)上。一些有希望的進(jìn)步包括保護(hù)陽(yáng)極的自形成層，構(gòu)建具有更光滑表面的超薄鋰金屬陽(yáng)極，或引入更穩(wěn)定的固體電解質(zhì)而不是液體電解質(zhì)以在陽(yáng)極和其他電極(陰極)之間攜帶電荷。

先前的研究還表明，在循環(huán)過(guò)程中使鋰金屬電池承受壓力也可能阻礙枝晶生長(zhǎng)，從而使鋰顆粒沉積得更整齊并提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家著手探索這種現(xiàn)象，并試圖確定什么樣的壓力水平可以帶來(lái)最好的結(jié)果。

他們的研究涉及觀察鋰金屬電池在運(yùn)行過(guò)程中受到不同壓力時(shí)的形態(tài)。在較低的壓力下，沉積的鋰呈現(xiàn)出多孔且無(wú)序的特性，為枝晶生長(zhǎng)留下了足夠的空間。然而，在 350 公斤帕斯卡(約 3.5 個(gè)大氣壓)的較高壓力下，鋰沉積成整齊的柱狀結(jié)構(gòu)，中間沒(méi)有任何孔隙，幾乎沒(méi)有空間用于枝晶形成。

在頂行中，頂視圖和橫截面顯示在 70 kPa 或 kPa(小于一個(gè)大氣壓)下沉積的鋰，底行：在 350 kPa 或 3.5 個(gè)大氣壓下沉積的鋰的頂視圖和橫截面

在頂行中，頂視圖和橫截面顯示沉積的鋰在 70 千帕或千帕(小于一個(gè)大氣壓)下具有無(wú)序的多孔性質(zhì)。沿著底行：頂視圖和橫截面顯示在 350 kPa 或 3.5 個(gè)大氣壓下沉積的鋰，形成更整齊的柱子和更少的孔加州大學(xué)圣地亞哥分校

“我們不僅回答了這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，還確定了所需的最佳壓力，”加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系教授、該論文的資深作者 Shirley Meng 說(shuō)。“我們還提出了最大 LMB(鋰金屬電池)性能的新測(cè)試協(xié)議。”

這種對(duì)鋰沉積物的操縱和防止枝晶的形成將是使鋰金屬電池恢復(fù)生機(jī)的關(guān)鍵，但通過(guò)這種高壓方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要重新考慮它們是如何組合在一起的?？茖W(xué)家們指出，需要對(duì)制造設(shè)施進(jìn)行改造以生產(chǎn)這種電池，但有了這些有希望的結(jié)果，他們現(xiàn)在可以開(kāi)始探索可能性。

該研究發(fā)表在《自然能源》雜志上。