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導讀
手機電池發熱、爆裂、起火，這類事件背後的罪魁禍首可以追溯到鋰電池。儘管鋰電池能提供持久的電流，但它也會內部短路，使設備發熱。
手機電池經常發熱，有時可能會爆裂起火。在大多數情況下，這類事件背後的罪魁禍首可以追溯到鋰電池。儘管鋰電池能提供持久的電流，可以讓設備保持供電，但它會內部短路，使設備發熱。
德克薩斯農工大學的研究人員發明了一種可以防止鋰電池發熱和失效的技術。他們將碳納米管設計為電池的導電板，即所謂的陽極，可以安全地儲存大量的鋰離子，從而降低火災風險。此外，他們還表示，他們的新陽極架構將幫助鋰電池比目前的商用電池充電更快。
"我們已經為鋰電池設計了下一代陽極，它能有效地產生快速為設備充電所需的大電流和持續電流，"機械工程系Choongho Yu博士實驗室的材料科學研究生Juran Noh說。"此外，這種新的架構還可以防止鋰在陽極外面積聚，隨著時間的推移，會導致電池兩廂內容物之間的意外接觸，這是設備爆炸的主要原因之一。"
他們的研究結果發表在3月份的《Nano Letters》雜誌上。
鋰電池在使用時，帶電粒子在電池的兩個隔層之間移動。鋰原子放棄的電子會從電池的一側移動到另一側。另一方面，鋰離子則向另一個方向移動。當給電池充電時，鋰離子和電子會回到原來的隔間。
因此，陽極的特性，或者說是電池內容納鋰離子的導電體，對電池的特性起著決定性的作用。一種常用的陽極材料是石墨。在這些陽極中，鋰離子被插入到石墨層之間。然而，Noh表示，這種設計限制了陽極內可存儲的鋰離子數量，甚至在充電時需要更多的能量將離子從石墨中拉出來。
這些電池還有一個更隱蔽的問題。有時鋰離子並不是均勻地沉積在陽極上。相反，它們在陽極表面積聚成塊，形成樹狀結構，稱為樹枝狀。隨著時間的推移，樹枝狀物會不斷生長，最終穿透分隔電池兩格的材料。這種枝晶會導致電池短路，並可能使設備著火。增長的樹枝狀物還會通過消耗鋰離子影響電池的性能，使其無法用於產生電流。
Noh表示，另一種陽極設計涉及使用純鋰金屬代替石墨。與石墨陽極相比，那些使用金屬鋰的陽極具有更高的單位質量能量密度。但它們也會因為樹枝狀物的形成而以同樣災難性的方式失敗。
為了解決這個問題，Noh和她的隊友們設計了使用被稱為碳納米管的高導電性、輕質材料的陽極。這些碳納米管支架包含空間或孔洞，供鋰離子進入並沉積。然而，這些結構並不能有效地與鋰離子結合。
因此，他們製作了另外兩種表面化學性質略有不同的碳納米管陽極，一種摻雜著豐富的可以與鋰離子結合的分子基團，另一種具有相同的分子基團，但數量較少。利用這些陽極，他們構建了電池來測試形成樹枝狀的傾向。
正如預期的那樣，研究人員發現，僅用碳納米管制成的支架不能很好地與鋰離子結合。因此，幾乎沒有樹枝狀的形成，但電池產生大電流的能力也受到影響。另一方面，具有過量結合分子的支架形成了許多樹枝狀，縮短了電池的壽命。
然而，具有最佳數量的結合分子的碳納米管陽極可以防止樹枝狀的形成。此外，大量的鋰離子可以沿著支架的表面結合和擴散，從而提升電池產生大電流、持續電流的能力。
"當結合分子基團豐富時，由鋰離子製成的金屬鋰簇最終只會堵塞支架上的孔隙。"Noh說。"但當我們有適量的這些結合分子時，我們可以在某些地方剛好'解開'碳納米管支架，讓鋰離子通過並結合在支架的整個表面上，而不是堆積在陽極的外表面並形成樹枝狀。"
Noh表示，他們的頂級性能陽極處理的電流是市售鋰電池的五倍。她指出，這一特點對於大型電池特別有用，例如電動汽車中使用的電池，需要快速充電。
"製造安全且壽命長的金屬鋰陽極是幾十年來的科學挑戰，"Noh說。"我們開發的陽極克服了這些障礙，是鋰金屬電池商業應用的重要的一步。"
論文標題為《Understanding of Lithium Insertion into 3D Porous Carbon Scaffolds with Hybridized Lithiophobic and Lithiophilic Surfaces by In-Operando Study》。
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