稳定的可替换石墨负极的锂金属电池，可以显著提高目前锂离子电池的能量密度

陈笑 · 发表于 2019-6-30 17:20:37

目前存在的两个主要问题阻碍了锂金属负极在可充电电池中的实际应用：

锂枝晶的生长会导致内部短路，这可能会造成灾难性事故。

锂金属电池的库仑效率低，循环寿命短，这是由于在电池在充电期间活性锂和电解质组分的持续消耗在锂表面上形成惰性固体电解质中间相（SEI）层引起的。虽然可以通过添加过量的锂或限制充电/放电深度来补偿低库仑效率，但是内部短路的风险是必须注意，以期得到安全、长效的可充电锂金属电池。

在关于锂枝晶渗透生长机理的最新研究中，由于实验室制造的正极面积容量相对较低，因此使用锂金属阳极评估负极材料循环寿命的标准做法从未出现过内部短路。但是，在更实际的高正极负载条件下，其面积容量大于2 mAh cm-2时，锂金属的行为变得大不相同，并且很容易发生向纳米多孔隔膜的渗透、生长。

在2016年，Peng Bai等人提出了一种称为“Sand’s capacity”的定量化安全边界[1]：液态电解质中锂金属的两种不同生长机制：

电流密度大于内在扩散限制电流密度（超限电流密度），一旦充电容量超过Sand’容量，锂就会在电极表面的最外端生长，形成分形“树枝状”结构;

当电流密度小于扩散限制电流密度（极限电流密度），或在达到Sand的容量之前，锂主要从根部生长，如人的毛发，形成“苔藓”结构。由于实际电池中电极间的间隔很小，Sand似乎仍无法使用。因此对于这锂生长方式，必须确定更加准确的关键安全边界。

为此，华盛顿大学/麻省理工学院Peng Bai联合马萨诸塞州理工学院Martin Z. Bazant再次构建了两种类型的对称锂电池，以研究所施加的电流密度和面积容量的安全边界。通过这项研究，作者确定了两种临界电流密度，展现出锂的三种不同的增长模式及这些模式存在的风险，并提出了一套安全边界以及优化可充电金属电池设计的策略。

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