鋰金屬電池的電極容量可達到目前商用鋰離子電池的10倍以上，是未來最有希望的高能量密度電化學儲能技術。然而，直接使用金屬鋰也存在嚴重的安全隱患、較差的倍率和循環(huán)性能差等問題，嚴重阻礙了其商業(yè)化進程。

目前，學術界應對鋰金屬電極失效的主要策略是“圍堵”的方法，即通過電解質(zhì)優(yōu)化和界面調(diào)控等方法來抑制／延緩鋰枝晶的出現(xiàn)，這在一定程度上保護了金屬電極免遭失效，但仍難以完全避免鋰枝晶在長時間循環(huán)過程中的出現(xiàn)。而在當前的電池體系中，鋰枝晶一旦出現(xiàn)，電池就面臨著短路或爆炸等嚴峻的風險。

那么，有沒有辦法能夠保證在枝晶大量出現(xiàn)之后鋰金屬電池仍能維持正常工作，且不出現(xiàn)安全問題？針對這一難題，清華大學楊誠課題組提出了獨特的利用電場誘導鋰枝晶沿著平行于隔膜的方向“橫著長”的新思路，從而實現(xiàn)當鋰枝晶不可避免地大量生長的極端情況下，鋰金屬電池仍然能長時間穩(wěn)定工作的效果，該技術有望加速鋰金屬電池的商業(yè)化應用。相關成果2018年1月31日在線發(fā)表在Nature Communications雜志（2018， 9， 464）。

當前，針對鋰金屬充放電過程中的異質(zhì)沉積（枝晶生長）不穩(wěn)定SEI膜的形成，以及循環(huán)時大的體積變化等棘手的問題，學術界的主要研究策略主要有電解質(zhì)優(yōu)化（包括優(yōu)化電解液配方、引入添加劑等）和界面調(diào)控（人構筑人工SEI膜，引入三維骨架）等。這些策略通過抑制或延緩鋰枝晶的出現(xiàn)，在很大程度上保護了金屬電極免遭失效。然而，目前技術卻難以完全避免鋰枝晶在長時間循環(huán)過程中的出現(xiàn)，尤其是當電池在大循環(huán)電流、過充或是低溫等條件下運行時。

既然上述“圍堵”的方法不容易完全走通，那能否借鑒老祖宗的智慧——例如大禹治水所采用的“疏導”的方法——讓鋰枝晶沿著危害性較低的方向誘導生長？近日，清華大學深圳研究生院楊誠老師提出了電場誘導鋰枝晶定向生長的技術，開發(fā)出獨特的具有微孔陣列結構的銅集流體，讓鋰枝晶沿著平行于隔膜的方向“橫著長”。這樣一來，即便所有抑制鋰枝晶生長的方法失效了，失控生長出來的鋰枝晶也難以對隔膜造成傷害。

通過控制沉積／剝離鋰金屬的容量，使得該結構像一個個獨立的“蛇籠”一樣，將所有這些細長的“蛇”（枝晶）容納并限制在“籠子”里面，而“蛇”從“籠子”里逃出來的概率則非常小。即使出現(xiàn)了“蛇”從“籠子”里鉆出來的極端情況，通過計算模擬發(fā)現(xiàn)，枝晶對隔膜所產(chǎn)生的應力也相應下降到對比樣例（平面銅集流體）中的40％，正如司馬遷在《史記·韓長孺列傳》中所說的“強弩之極，矢不能穿魯縞也”。該技術涉及到的集流體加工方法（熱壓覆膜、激光鉆孔和堿液蝕刻），具有尺寸均勻、孔洞大小可調(diào)、良率高等特點，可實現(xiàn)光刻級的工業(yè)生產(chǎn)一致性，有利于大規(guī)模商業(yè)應用。

圖1 鋰枝晶在平面銅集流體（P－Cu）和微孔陣列銅集流體（E－Cu）中的演化示意圖。

綜上所述，這種“疏導”的方法，使得即便鋰枝晶已經(jīng)在電池中大量出現(xiàn)，其對電池系統(tǒng)的損害程度也能大幅降低。實驗結果表明，對稱半電池樣品在0．5mA／cm2和1 mA／cm2的電流密度下，循環(huán)150圈后容量保有率仍分別高達99％和90％。在更高電流密度下（2 mA／cm2），電池仍能穩(wěn)定循環(huán)130圈，而普通銅箔為集流體的電池循環(huán)不到50圈就出現(xiàn)短路。實驗所組裝的全電池同樣具有很好的循環(huán)性能（1C循環(huán)250圈，庫倫效率高達99．5％）。

圖2 （a）微孔陣列銅集流體與普通銅箔集流體半電池在0．5mA／cm2、1 mA／cm2和2 mA／cm2循環(huán)性能對比圖 （b）微孔陣列銅集流體與普通銅箔集流體全電池循環(huán)性能對比圖

課題組介紹：

楊誠老師近年來在金屬微納導電骨架材料研究方面取得一系列突出的學術進展。包括2015年作為唯一通訊作者在Nature Communications發(fā)表分形雪花銀枝晶技術的學術成果（Nat． Commun． 2015， 6， 8150）、2016年作為唯一通訊作者在Advanced Materials發(fā)表鎳納米線陣列納米導電骨架結構的學術成果（Adv． Mater．， 2016， 28， 4105）等。他所帶領的研究小組在三維、多級、有序金屬微納導電材料的結構及生長控制方面積累了豐富的經(jīng)驗和顯著的科研成果。此外，楊老師課題組結合工業(yè)界成熟的技術手段，利用獨特的新型金屬微納導電材料，成功地構建出了多種新型高性能微型電子器件和儲能器件，如可裁剪、異形、柔性超薄的超級電容器元件，新型高性能鎳鋅電池，貼片式高靈敏度微型熔斷開關元件等，相關成果分別發(fā)表在Nature Communications（2015）、Advanced Materials（2016）、Energy ＆ Environment Science （2014，2014，2017）、ACS Nano（2015，2017）、Nano Energy（2016，2016，2017）等國際高水平雜志上。