新一代鋰金屬陽(yáng)極材料能夠克服商用電池的局限性，但其固有問(wèn)題容易導(dǎo)致電池壽命縮短并增加起火風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)外媒報(bào)道，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）研究人員取得了重大突破，僅使用水就能夠?qū)嚱饘訇?yáng)極的壽命延長(zhǎng)約750%。

圖1. 通過(guò)環(huán)保靜電紡絲工藝?yán)盟畞?lái)制備新開發(fā)的保護(hù)膜（圖片來(lái)源：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院）

KAIST材料科學(xué)與工程系Il-Doo Kim教授與亞洲大學(xué)（Ajou University）Jiyoung Lee教授合作，通過(guò)使用環(huán)保型中空納米纖維作為保護(hù)層，成功地穩(wěn)定了鋰生長(zhǎng)，并明顯提升下一代鋰金屬電池的使用壽命。

傳統(tǒng)保護(hù)層技術(shù)是在鋰金屬上施加表面涂層，以便與電解質(zhì)形成人工界面。這依賴于有毒的工藝和昂貴的材料，對(duì)鋰金屬陽(yáng)極壽命的改善有限。

為了克服這些局限性，Kim教授團(tuán)隊(duì)提出一種中空納米纖維保護(hù)層，能夠通過(guò)物理和化學(xué)方法來(lái)控制鋰離子生長(zhǎng)。這種保護(hù)層通過(guò)環(huán)保靜電紡絲工藝制造，以從植物中提取的瓜爾膠（guar gum）為主要原料，并使用水作為唯一溶劑。瓜爾膠是一種從瓜爾豆中提取的天然聚合物，主要由單糖構(gòu)成，其氧化官能團(tuán)能夠調(diào)節(jié)與鋰離子的相互作用。

圖2. 新開發(fā)保護(hù)膜對(duì)鋰枝晶的理化控制；（圖片來(lái)源：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院）

該納米纖維保護(hù)層可以有效控制電解質(zhì)和鋰離子之間的可逆化學(xué)反應(yīng)。而纖維內(nèi)的中空空間能夠抑制鋰離子在金屬表面上隨機(jī)積累，從而穩(wěn)定鋰金屬表面和電解質(zhì)之間的界面。

圖3. 采用新開發(fā)保護(hù)膜的鋰金屬電池全電池的性能（圖片來(lái)源：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院）

結(jié)果，與傳統(tǒng)鋰金屬陽(yáng)極相比，具有這種保護(hù)層的鋰金屬陽(yáng)極的使用壽命增加了約750%。該電池在經(jīng)過(guò)300次充放電循環(huán)后仍保持93.3%的容量，達(dá)到了世界一流的性能。

研究人員還證實(shí)，這種天然保護(hù)層在土壤中大約一個(gè)月內(nèi)就會(huì)完全分解，從而證明其整個(gè)制造和處理過(guò)程具有環(huán)保性。

Il-Doo Kim教授表示：“通過(guò)利用物理和化學(xué)保護(hù)功能，研究人員能夠有效地引導(dǎo)鋰金屬和電解質(zhì)之間的可逆化學(xué)反應(yīng)并抑制枝晶生長(zhǎng)，從而使鋰金屬陽(yáng)極具有前所未有的使用壽命。隨著人們對(duì)電池需求激增，因生產(chǎn)和處理電池而產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)擔(dān)日益嚴(yán)重，這種水基制造方法具有生物降解性，將對(duì)下一代環(huán)保電池商業(yè)化做出重大貢獻(xiàn)。”