新型电池阳极，可安全储存大量的锂离子，降低火灾风险

手机电池发热、爆裂、起火，这类事件背后的罪魁祸首可以追溯到锂电池。尽管锂电池能提供持久的电流，但它也会内部短路，使设备发热。

手机电池经常发热，有时可能会爆裂起火。在大多数情况下，这类事件背后的罪魁祸首可以追溯到锂电池。尽管锂电池能提供持久的电流，可以让设备保持供电，但它会内部短路，使设备发热。

德克萨斯农工大学的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术。他们将碳纳米管设计为电池的导电板，即所谓的阳极，可以安全地储存大量的锂离子，从而降低火灾风险。此外，他们还表示，他们的新阳极架构将帮助锂电池比目前的商用电池充电更快。

“我们已经为锂电池设计了下一代阳极，它能有效地产生快速为设备充电所需的大电流和持续电流，”机械工程系Choongho Yu博士实验室的材料科学研究生Juran Noh说。“此外，这种新的架构还可以防止锂在阳极外面积聚，随着时间的推移，会导致电池两厢内容物之间的意外接触，这是设备爆炸的主要原因之一。”

他们的研究结果发表在3月份的《Nano Letters》杂志上。

锂电池在使用时，带电粒子在电池的两个隔层之间移动。锂原子放弃的电子会从电池的一侧移动到另一侧。另一方面，锂离子则向另一个方向移动。当给电池充电时，锂离子和电子会回到原来的隔间。

因此，阳极的特性，或者说是电池内容纳锂离子的导电体，对电池的特性起着决定性的作用。一种常用的阳极材料是石墨。在这些阳极中，锂离子被插入到石墨层之间。然而，Noh表示，这种设计限制了阳极内可存储的锂离子数量，甚至在充电时需要更多的能量将离子从石墨中拉出来。

这些电池还有一个更隐蔽的问题。有时锂离子并不是均匀地沉积在阳极上。相反，它们在阳极表面积聚成块，形成树状结构，称为树枝状。随着时间的推移，树枝状物会不断生长，最终穿透分隔电池两格的材料。这种枝晶会导致电池短路，并可能使设备着火。增长的树枝状物还会通过消耗锂离子影响电池的性能，使其无法用于产生电流。

Noh表示，另一种阳极设计涉及使用纯锂金属代替石墨。与石墨阳极相比，那些使用金属锂的阳极具有更高的单位质量能量密度。但它们也会因为树枝状物的形成而以同样灾难性的方式失败。

为了解决这个问题，Noh和她的队友们设计了使用被称为碳纳米管的高导电性、轻质材料的阳极。这些碳纳米管支架包含空间或孔洞，供锂离子进入并沉积。然而，这些结构并不能有效地与锂离子结合。

因此，他们制作了另外两种表面化学性质略有不同的碳纳米管阳极，一种掺杂着丰富的可以与锂离子结合的分子基团，另一种具有相同的分子基团，但数量较少。利用这些阳极，他们构建了电池来测试形成树枝状的倾向。

正如预期的那样，研究人员发现，仅用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合。因此，几乎没有树枝状的形成，但电池产生大电流的能力也受到影响。另一方面，具有过量结合分子的支架形成了许多树枝状，缩短了电池的寿命。

然而，具有最佳数量的结合分子的碳纳米管阳极可以防止树枝状的形成。此外，大量的锂离子可以沿着支架的表面结合和扩散，从而提升电池产生大电流、持续电流的能力。

“当结合分子基团丰富时，由锂离子制成的金属锂簇最终只会堵塞支架上的孔隙。”Noh说。“但当我们有适量的这些结合分子时，我们可以在某些地方刚好‘解开’碳纳米管支架，让锂离子通过并结合在支架的整个表面上，而不是堆积在阳极的外表面并形成树枝状。”

Noh表示，他们的顶级性能阳极处理的电流是市售锂电池的五倍。她指出，这一特点对于大型电池特别有用，例如电动汽车中使用的电池，需要快速充电。

“制造安全且寿命长的金属锂阳极是几十年来的科学挑战，”Noh说。“我们开发的阳极克服了这些障碍，是锂金属电池商业应用的重要的一步。”

论文标题为《Understanding of Lithium Insertion into 3D Porous Carbon Scaffolds with Hybridized Lithiophobic and Lithiophilic Surfaces by In-Operando Study》。