【摘要】 电解液优化：研究新型电解液，以抑制锂枝晶的生长。

科学指南针-知识课堂

锂离子电池，作为1990年由日本索尼公司率先研发并成功推向市场的产品，标志着二次电池技术的一次重大突破。自从其问世以来，锂离子电池在可充电电池领域迅速崭露头角，如今已占据了主导地位。

 

锂电池的组成-图片源自网络

 

锂枝晶优点

1.高能量密度：锂金属电池具有低至0.53 g/cm³的质量密度和-3.04 V的阳极电位，以及高至3860 mAh·g⁻¹的理论能量密度，这远高于目前已大规模使用的锂离子电池中的石墨阳极（372 mAh·g⁻¹）。

2.轻量化：锂作为最轻的金属，具有独特的物理和化学属性，使其在电池制造中成为理想材料。

3.环保性能：与锂离子电池相比，锂金属电池的环保性能更好。

 

锂枝晶缺点

新沉积的锂表面因其缺乏钝化膜的保护而展现出高度的活性。在此状态下，部分锂会与电解质发生反应，并被反应产物所覆盖，形成游离态的锂。随着晶粒的逐渐生长，负极表面会出现枝晶结构。一旦这些枝晶积累到一定程度，它们可能穿透隔膜，导致电池发生局部短路。局部短路将引起电池局部温度升高，甚至可能熔化隔膜，从而进一步加剧电池内部短路，最终使电池失效，甚至可能引发起火或爆炸。因此，尽管金属锂电池具有高能量密度的潜力，但由于其安全稳定性问题，至今尚未实现商业化。

 

锂晶枝科研绘图-图片源自网络

 

锂枝晶研究

1.电解液优化：研究新型电解液，以抑制锂枝晶的生长。例如，通过添加特定的添加剂，改变电解液的物理和化学性质，从而抑制锂枝晶的形成。

2.隔膜改进：开发新型隔膜，以提供更好的离子传输性能和物理隔离性能，防止锂枝晶穿透隔膜导致电池短路。

3.负极结构设计：设计新型负极结构，如三维多孔结构或纳米结构，以提供更多的锂离子沉积位点，减少锂枝晶的形成。

4.充电策略优化：研究优化充电策略，如采用脉冲充电、恒流恒压充电等方式，以控制锂离子的沉积速率和分布，从而减少锂枝晶的形成。

 

锂晶枝类型-图片源自网络

 

锂枝晶检测九大方法

1.原子力显微镜（AFM）

原理：通过测量样品表面与探针之间的相互作用力来研究样品的表面结构。

局限性：对样品的平整度有一定要求，且锂枝晶的不均匀沉积通常在微米左右的范围，超出了一般原子力显微镜的检测范围。

2.透射电子显微镜（TEM）

原理：利用高能电子束透过样品，通过电子与样品的相互作用成像来研究样品的内部结构。

局限性：是研究锂离子沉积的良好方法，但不能用来表征实际电池中的锂离子。

3.荧光探针技术

原理：利用特定荧光染料与锂枝晶发生反应产生荧光信号来检测锂枝晶。

局限性：需要拆解电池，并且只能用在电池失效后的检测，无法实时观测。

4.受激拉曼散射（SRS）

原理：通过测量拉曼散射光谱来检测样品中的化学键振动，从而识别锂枝晶。

特点：可用于非破坏性检测，但设备复杂，成本较高。

5.光学显微镜

原理：通过可见光或红外光照射样品，观察样品表面的形态和结构。

局限性：分辨率有限，难以观察到微小的锂枝晶结构。

6.扫描电子显微镜（SEM）

原理：利用高能电子束扫描样品表面，通过检测电子与样品相互作用产生的信号来成像。

特点：分辨率高，能够观察到锂枝晶的微观结构，但同样需要拆解电池。

7.聚焦离子束（FIB）技术

原理：利用聚焦的离子束对样品进行切割、成像和化学成分分析。

特点：可用于制备超薄切片并观察锂枝晶的截面结构，但设备昂贵，操作复杂。

8.氢气捕捉法

原理：通过搭建原位光学观测和H2气体捕获平台，利用气相色谱仪检测电池产生的H2气体来间接检测锂枝晶的生长。

特点：能够实时观测锂枝晶的生长过程，对电池性能的影响较小。

9.原位电化学原子力显微镜（EC-AFM）

原理：利用电化学方法控制锂离子的沉积和溶解过程，并通过原子力显微镜观察电极表面的形貌变化。

特点：能够实时原位观察锂枝晶的生长过程，对理解锂枝晶生长机理具有重要意义。

在选择锂枝晶检测方法时，需要根据具体的实验需求和条件进行综合考虑。同时，随着技术的进步和研究的深入，之后也会有更多锂枝晶检测方法被开发出来。

 

新能源电池材料测试

 

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