​科学家可通过数字模型来解决锂金属电池的痛点

随着新能源汽车大火，三元锂电池、碳酸铁锂电池等锂离子电池因其原料丰富、工艺成熟等诸多优势，已成为新能源汽车的标配，尤其是电动汽车。虽然锂电池的工业体系已达到成熟阶段，但现阶段锂金属电池仍有许多“痛点”仍未得到解决，未能大规模推广。

近日，来自美国斯坦福大学的科学家成功开发出新的数学模型，从理论角度来探讨锂金属电池的“枝晶”问题，为制造更优质、更安全的锂金属电池指明了新的方向。

锂金属电池是可充电锂离子电池的一种，常应用在便携式电子产品和电动汽车，作为新一代能源储存设备，锂金属电池发展前景非常可观。相比锂离子电池，锂金属电池能储存更多能力，充电速度更快，重量更轻。但未能大规模推广的最大原因是枝晶的形成，枝晶是随着锂金属在电池的电极上逐渐积累从而生长的金属状、薄薄的树状结构。这些枝晶不但会降低电池性能还会导致电池故障，甚至引发火灾，因此，如何阻止或减缓枝晶的形成才是推广锂金属电池的最大解决方法。

因此斯坦福大学的科研团队开发出一个新的数学模型，将涉及到枝晶形成的物物理和化学问题结合到一起。而该数学模型给出的方法是在新电解质中交换一定特性，可减缓甚至完全组织枝晶的生产。

科研团队的负责人之一Weiyu Li表示：“我们的研究目的是帮助指导设计寿命更长的锂金属电池，此次研究的数学框架可以合理解释锂金属电池中重要的化学/物理过程。”

斯坦福大学地球、能源与环境科学学院教授HAMDi A Tchelepi也表示：“这项研究提供了有关枝晶形成条件的一些具体细节，以及抑制它们生长的可能途径。”

斯坦福大学通过两种方法来解决。一种是寻找具有各向异性的材料，即材料在不同方向上表现出不同的性质，抑制枝晶的形成，如凝胶和液晶；另一种是电池隔膜，通过薄膜防止电池两端电极接触和短路，可选用有孔隙特征的新型隔膜，可以使锂离子以各向异性的方式在电解质中来回传输。

目前，该研究团队正在构建锂金属电池系统的数字化表示形式，即“数字化身” (DABS)。

“这项研究是DABS的关键组成部分。”斯坦福大学能源工程专业教授Daniel Tartakovsky表示实验室正在开展相关研究，未来将借助DABS，进一步提升锂金属电池的技术发展水平。

该项研究及具体细节已整理发表在知名学术杂志《电化学学会杂志》。