德雷克塞尔的研究人员已经报道，在锂电池的电解质溶液中加入纳米金刚石可以防止树枝状的形成。树枝状是一种随着时间的推移可以在电池内生长的卷须状沉积物，会引起锂电池的故障。

照片由德雷克塞尔大学和清华大学提供

虽然目前广泛应用于手机，笔记本电脑等移动设备的锂离子电池目前已成为寿命最长的商业电池，但由于移动设备的短路，近来也出现了一些电池的故障。 为了防止故障的发生，德雷克塞尔大学的研究人员研发出了一种方法，可以将电解质溶液（大多数电池的关键部件）发生转化，使电池更不容易发生这些故障。

杰出大学博士Yury Gogotsi，巴赫教授，工程学院及其材料科学与工程系的研究团队近日在自然杂志上刊登了题为“Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites”的文章。 文章中，他们描述了一个过程，使用纳米金刚石，一种比头发直径小10,000倍的微小金刚石颗粒，可以减少锂离子电池危险短路情况的发生。

当使用电池和进行充电的时候，电化学反应导致离子在电池的两个电极之间移动，这就是电流的本质。但随着时间的推移，离子的这种重新定位会产生类似卷须的沉积 ，几乎像在洞内形成的钟乳石。 这些称为树突的电池沉积是锂电池故障的主要原因之一。 随着时间的推移，电池内部形成的枝晶会穿过多孔聚合物膜形成的隔板，多孔聚合物膜是一种防止电池的正负极接触的结构。 当其被破坏时，可能会发生短路，可能导致火灾，因为大多数锂离子电池中的电解质溶液是高度易燃的。

为了避免树枝状结构的形成以及降低火灾概率，目前的电池设计包括一个充满锂的石墨填充的电极。 使用石墨作为锂的主体可防止树突形成。 但锂嵌入石墨的储能比纯锂约少10倍。 Gogotsi团队的突破意味着可以大量增加能量的储存，因为在纯锂电极中可以消除枝晶形成。

Gogotsi说：“电池安全是这项研究的关键问题，手表中的一次电池使用锂阳极，但只能放电一次，当您一次又一次地开始充电时，枝晶会开始生长，可能有几个安全的周期，但迟早会发生短路，我们想消除或至少使这种可能性最小化。

Gogotsi及其在北京清华大学的合作者，以及中国武汉的华中科技大学，致力于使锂阳极更加稳定，使电镀更加均匀的研究，从而使枝晶不会生长。

他们通过在电池中的电解质溶液中加入纳米金刚石来做到这一点。 纳米金刚石已经在电镀行业中被使用了一段时间，作为使金属涂层更均匀的一种方式。 虽然它们比珠宝商的钻石要小得多，更便宜，但纳米金刚石仍然保留了其昂贵的祖先的正常结构和形状。 当它们沉积时，它们自然地一起滑动以形成光滑的表面。

研究人员发现这种性质对于消除枝晶的形成非常有用。 在文章中，他们解释说锂离子可以很容易地附着到纳米金刚石上，因此当电镀电极时，将纳米金刚石混入锂离子电池的电解液中，可以通过100次充放电循环将枝晶形成减慢到零。

用俄罗斯方块游戏来做比喻，一堆不匹配的方块堆积使游戏结束，这些堆积的方块相当于一个树突。 将纳米金刚石添加到混合物中就像使用代码将每个新块滑动到合适的位置来使树突消失。

Gogotsi指出，他的团队的发现只是一个过程的开始，最终我们可以看到电解质添加剂，如纳米金刚石，广泛用于生产具有高能量密度的安全锂电池。 这些电池初步结果已经显示出长达200小时的稳定的充放电循环，这足以在一些工业或军事应用中使用，但这些电池还不足以应用于笔记本电脑或手机中。 研究人员还需要在各种物理条件和温度下，而且在足够长的时间内，对这些电池进行大量的测试，以确保树突不会生长。

Gogotsi说：“我们很难确定树突不会增长。所以这个技术的首次使用将在不太关键的应用中，而不是在手机或汽车电池中。为了确保安全性，电解质添加剂（如纳米金刚石）需要与其他预防措施结合使用，例如使用非易燃电解质，更安全的电极材料和更强的分离器。

原文来自：sciencedaily，由材料科技在线团队翻译整理。