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韩国研发出“棕榈树”状的铜枝晶，能提升电池电化学性能
2019-05-17
来源：转载自第三方
随着电动汽车产业的迅速发展，对电池的“高容量”标准，也在不断提高。以锂金属为负极的锂电池，有着比传统锂离子电池高10倍的容量潜力，但却存在着潜在的安全隐患。造成这个的根本原因就是锂枝晶，今天小编想说的可不是大家都避之不及的树枝状的锂枝晶，而是长成“棕榈树”状的铜枝晶。据说这种“棕榈树”状的铜枝晶5分钟就可以长成，还能提高电池的电化学性能。
什么是枝晶
在一些设计或质量不好的锂电池，过充会导致锂枝晶，过放会导致铜枝晶，都会造成锂电池短路、故障等问题。枝晶是锂电池负极无法嵌入更多的锂离子，导致锂离子在负极表面以金属锂析出，造成枝晶锂现象。枝晶遇到空气即可燃烧，非常危险。
“棕榈树”状的铜枝晶的形成
近日，韩国科学技术院（KAIST）Minyang Yang课题组在Adv. Energy Mater. 杂志发表文章，他们以溴离子为独特的各向异性生长催化剂，采用简单的电沉积方法，制备了纳米棕榈树状铜枝晶@Fe2O3锂离子电池负极。他们还揭示了不同条件下铜纳米结构的生长机理，提高了电池的电化学动力学，获得优异的储能性能。
以铜网做电极，在CuSO4、NaBr和H2SO4组成的混合电解液中，外加−0.9到−1.8 V电压200~300秒，就能得到长2~50 μm、直径小于90 nm，长径比特别高的超细铜枝晶，枝间夹角均为规则的~60°。从照片来看，的确像极了棕榈树的叶子。那么，这种特殊的结构是怎么形成的呢？
在没有溴离子存在的电解液中，几乎不会产生铜枝晶的结构。加入一定浓度溴离子以后，Br-很容易吸附在铜（110）表面，形成CuBr；由于CuBr可以促进铜的生长，而CuBr的各向异性直接导致铜的各向异性生长。所以铜继续沿[110]面生长“枝干”，并沿[011]和[101]面生长“叶子”，夹角均约等于60°。
顺着这个思路，氯离子也可以辅助枝晶铜生长。不过根据反应电位，溴的吸附倾向大于氯。这表明，溴对铜的各向异性生长的促进作用大于氯，导致棕榈树状铜的纳米结构更薄、更长。
随后，研究者利用线性扫描伏安法（LSV）和扫描电镜验证了猜想。加入溴离子后，LSV曲线在−0.3 V下可以观察到一个还原峰，源自在低沉积电压下电还原CuBr沉积所致。同时，整个电压范围内LSV曲线的增加电流归因于Br离子的催化作用。
研究者利用电沉积法，在”棕榈树”状铜枝晶表面均匀地修饰一层Fe2O3，并验证了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。电流密度为100 mA g-1（0.1 C）时，电极的比容量可达919.5 mAh g-1；在10 A g-1（完全充电只需5分钟）高速充放电条件下，循环500次后，比容量仍有630 mAh g-1。此外，该电极还可以通过改变界面性质来控制SEI的形成，从而提高第一次循环的库仑效率，在实际应用中得到进一步的发展。
该方法拓展了锂离子电池电极的制备方法，有望扩展到各种金属复合电极的制备，并应用于各种储能、催化、环境领域，如超级电容器、燃料电池、电催化反应和气体传感器等，具有良好的普适性。
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