通過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，但當前仍有一些障礙需要克服。不過德國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，一定不會對枝晶這種針狀結(jié)構(gòu)感到陌生。

盡管鋰金屬電池的儲能潛力是當前鋰離子電池的 10 倍，但在充放電過程中，鋰離子會在電池兩極間來回移動，并讓鋰原子在電極上積聚。

一段時間過后，被稱作枝晶的尖刺就會戳破電芯隔板，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，世界上已有相當多的研究團隊，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，我們已經(jīng)見到了解決這個問題的各種創(chuàng)造性的潛在解決方案 —— 比如使用超薄鋰、納米管薄膜、以及自組裝保護層。

研究配圖 - 2：電池恒流 / 不同時間間隔下的縮放電壓曲線

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

耶拿大學(xué)的 Andrey Turchanin 教授解釋稱：“這就是我們在隔膜上應(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程示意

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

在對這種電池設(shè)計展開對比測試之后，研究團隊發(fā)現(xiàn)其壽命較無保護膜的電池延長了一倍，且在數(shù)百次充電循環(huán)中沒有出現(xiàn)枝晶生長的跡象。

研究配圖 - 4：模擬離子輸送與枝晶生長的通道尺寸

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

參與這項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二維膜，已經(jīng)對電池壽命產(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)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。

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