通過(guò)石墨代替高密度純金屬鋰，科學(xué)家們有望顯著提升電池技術(shù)的性能，但當(dāng)前仍有一些障礙需要克服。不過(guò)德國(guó)耶拿弗里德里希席勒大學(xué)的科學(xué)家們，已經(jīng)展示了一種微調(diào)的碳膜技術(shù)。即便經(jīng)歷了數(shù)百次循環(huán)充電，它仍能夠防止鋰電池因枝晶而導(dǎo)致故障。

熟悉鋰電池技術(shù)發(fā)展的朋友，一定不會(huì)對(duì)枝晶這種針狀結(jié)構(gòu)感到陌生。

盡管鋰金屬電池的儲(chǔ)能潛力是當(dāng)前鋰離子電池的 10 倍，但在充放電過(guò)程中，鋰離子會(huì)在電池兩極間來(lái)回移動(dòng)，并讓鋰原子在電極上積聚。

一段時(shí)間過(guò)后，被稱作枝晶的尖刺就會(huì)戳破電芯隔板，導(dǎo)致電池遭遇短路和故障。

研究配圖 - 1：碳納米膜涂層在 Ceigard 隔膜上的合成與轉(zhuǎn)移

迄今為止，世界上已有相當(dāng)多的研究團(tuán)隊(duì)，在防止枝晶生成這件事上傾注了大量的心力。

而為了讓鋰金屬電池一步步走向現(xiàn)實(shí)，我們已經(jīng)見(jiàn)到了解決這個(gè)問(wèn)題的各種創(chuàng)造性的潛在解決方案 —— 比如使用超薄鋰、納米管薄膜、以及自組裝保護(hù)層。

研究配圖 - 2：電池恒流 / 不同時(shí)間間隔下的縮放電壓曲線

這項(xiàng)新研究的作者，試圖通過(guò)使用帶有微調(diào)孔的新型碳膜來(lái)對(duì)抗枝晶的生成，而這種碳膜能夠以正確的方式來(lái)影響離子的輸送。

耶拿大學(xué)的 Andrey Turchanin 教授解釋稱：“這就是我們?cè)诟裟ど蠎?yīng)用由碳制成的極薄二維膜的原因”。

研究配圖 - 3：鋰在銅箔上電沉積的過(guò)程示意

教授稱，這種碳膜的孔徑小于 1 納米。由于開(kāi)口小于臨界核尺寸，因而能夠防止枝晶形成。此時(shí)鋰無(wú)法形成枝晶結(jié)構(gòu)，而是作為光滑的薄膜，而沉積在陽(yáng)極上。

在對(duì)這種電池設(shè)計(jì)展開(kāi)對(duì)比測(cè)試之后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其壽命較無(wú)保護(hù)膜的電池延長(zhǎng)了一倍，且在數(shù)百次充電循環(huán)中沒(méi)有出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)的跡象。

研究配圖 - 4：模擬離子輸送與枝晶生長(zhǎng)的通道尺寸

科學(xué)家們認(rèn)為，這將是通向下一代鋰電池的重要一步，并且已經(jīng)申請(qǐng)了相關(guān)專利，現(xiàn)正研究如何將這種碳膜引入實(shí)際的電池制造過(guò)程。

參與這項(xiàng)研究的華盛頓州立大學(xué)研究生 Sathish Rajendran 表示：“與電池的其它組件相比，隔膜材料的關(guān)注度一直偏少。而新研究展示的納米級(jí)二維膜，已經(jīng)對(duì)電池壽命產(chǎn)生了讓人著迷的影響力”。

研究配圖 - 5：鋰電池循環(huán)性能分析

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。

原標(biāo)題為《Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes》。