北京
纳米级结构可引导锂沉积并保护电池性能。
韩国研究人员开发出一种纳米级电极设计，有望帮助电动汽车电池变得更小、更轻，同时延长其使用寿命。
该技术利用半导体制造技术来解决锂沉积不均的问题，这是无负极电池面临的一大障碍。无负极电池有可能在给定电池尺寸内提高储能容量。
然而，其商业化发展一直受限于不稳定的锂沉积，这会在反复充放电过程中降低性能。
去除传统负极
标准锂离子电池含有负极材料，通常是石墨，在电池充电时储存锂。无负极设计去除了这种材料，转而将锂直接沉积到薄铜集流体上。
去除石墨可腾出空间并减轻重量，有可能让制造商造出能量密度更高的电池。对电动汽车而言，这可能意味着更轻的电池包，或在电池包尺寸不增加的情况下实现更长续航。
这种设计也带来了一个困难的工程问题。锂并不总是均匀分布在平坦铜箔上。相反，它可能在特定区域积聚，并发展成尖锐、分叉的结构，称为枝晶。
这些结构会破坏锂周围保护层的稳定性，并促使其与电解液发生不良副反应。因此，电池性能在反复循环中迅速下降。
此前解决该问题的尝试包括添加过量锂或在电极上放置厚保护涂层。虽然这些措施可以抵消锂损失或保护锂表面，但它们也会增加电池的重量和体积。
微观管引导锂沉积
由韩国科学技术院（KAIST）领导的研究团队使用二次溅射光刻（SSL）——一种与半导体制造相关的精密加工方法——对铜箔本身进行了改性。
研究人员制造了间距规则、直径约300纳米、高约150纳米的管状结构。
这种排列提供了明确的位点供锂沉降，帮助锂在电极上铺展，而不是聚集在孤立区域。
这些微观结构将可用于锂沉积的表面积增加到未经处理平坦铜箔的约四倍。更大的沉积面积有助于限制可能导致枝晶的锂集中生长。
研究人员将这种安排比作在一片原本开阔的场地上标出间距很近的停车位。每个结构都帮助引导到来的锂前往可用位置。
超薄层形成更强保护
该团队还在结构化铜箔上涂覆了一层约10纳米厚的MXene层。MXene是一类二维材料，其表面性质可针对电化学应用进行调控。
这种涂层并非充当最终保护屏障，而是更像底漆。在研究采用的六氟磷酸锂（LiPF6）基电解液中，其表面促进了富含氟化锂的均匀保护层的形成。
该层减少了锂与电解液之间的不良反应，同时进一步抑制枝晶生长。
研究人员使用X射线光电子能谱、飞行时间二次离子质谱和透射电子显微镜等技术，检查了其组成和形成过程。
“这项研究表明，半导体制造中使用的超精细加工技术可以创造出均匀的锂沉积位点和稳定的保护层，而无需改变本体电解液配方或添加过量锂，”Jinwoo Lee教授说。
研究结果于9月1日在线发表在《先进功能材料》上。
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