鋰金屬電池的電極容量可達(dá)到目前商用鋰離子電池的10倍以上，是未來最有希望的高能量密度電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。然而，直接使用金屬鋰也存在嚴(yán)重的安全隱患、較差的倍率和循環(huán)性能差等問題，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。

目前，學(xué)術(shù)界應(yīng)對(duì)鋰金屬電極失效的重要策略是“圍堵”的方法，即通過電解質(zhì)優(yōu)化和界面調(diào)控等方法來抑制／延緩鋰枝晶的出現(xiàn)，這在一定程度上保護(hù)了金屬電極免遭失效，但仍難以完全防止鋰枝晶在長時(shí)間循環(huán)過程中的出現(xiàn)。而在當(dāng)前的電池體系中，鋰枝晶一旦出現(xiàn)，電池就面對(duì)著短路或爆炸等嚴(yán)峻的風(fēng)險(xiǎn)。

那么，有沒有辦法能夠保證在枝晶大量出現(xiàn)之后鋰金屬電池仍能維持正常工作，且不出現(xiàn)安全問題？針對(duì)這一難題，清華大學(xué)楊誠課題組提出了獨(dú)特的利用電場誘導(dǎo)鋰枝晶沿著平行于隔膜的方向“橫著長”的新思路，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)鋰枝晶不可防止地大量生長的極端情況下，鋰金屬電池仍然能長時(shí)間穩(wěn)定工作的效果，該技術(shù)有望加速鋰金屬電池的商業(yè)化應(yīng)用。相關(guān)成果2018年一月三十一日在線發(fā)表在NatureCommunications雜志（2018，9，464）。

當(dāng)前，針對(duì)鋰金屬充放電過程中的異質(zhì)沉積（枝晶生長）不穩(wěn)定SEI膜的形成，以及循環(huán)時(shí)大的體積變化等棘手的問題，學(xué)術(shù)界的重要研究策略重要有電解質(zhì)優(yōu)化（包括優(yōu)化電解液配方、引入添加劑等）和界面調(diào)控（人構(gòu)筑人工SEI膜，引入三維骨架）等。這些策略通過抑制或延緩鋰枝晶的出現(xiàn)，在很大程度上保護(hù)了金屬電極免遭失效。然而，目前技術(shù)卻難以完全防止鋰枝晶在長時(shí)間循環(huán)過程中的出現(xiàn)，尤其是當(dāng)電池在大循環(huán)電流、過充或是低溫等條件下運(yùn)行時(shí)。

既然上述“圍堵”的方法不容易完全走通，那能否借鑒老祖宗的智慧——例如大禹治水所采用的“疏導(dǎo)”的方法——讓鋰枝晶沿著危害性較低的方向誘導(dǎo)生長？近日，清華大學(xué)深圳研究生院楊誠老師提出了電場誘導(dǎo)鋰枝晶定向生長的技術(shù)，開發(fā)出獨(dú)特的具有微孔陣列結(jié)構(gòu)的銅集流體，讓鋰枝晶沿著平行于隔膜的方向“橫著長”。這樣一來，即便所有抑制鋰枝晶生長的方法失效了，失控生長出來的鋰枝晶也難以對(duì)隔膜造成傷害。

通過控制沉積／剝離鋰金屬的容量，使得該結(jié)構(gòu)像一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“蛇籠”相同，將所有這些細(xì)長的“蛇”（枝晶）容納并限制在“籠子”里面，而“蛇”從“籠子”里逃出來的概率則非常小。即使出現(xiàn)了“蛇”從“籠子”里鉆出來的極端情況，通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，枝晶對(duì)隔膜所出現(xiàn)的應(yīng)力也相應(yīng)下降到比較樣例（平面銅集流體）中的40％，正如司馬遷在《史記·韓長孺列傳》中所說的“強(qiáng)弩之極，矢不能穿魯縞也”。該技術(shù)涉及到的集流體加工方法（熱壓覆膜、激光鉆孔和堿液蝕刻），具有尺寸均勻、孔洞大小可調(diào)、良率高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)光刻級(jí)的工業(yè)生產(chǎn)一致性，有利于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

圖1鋰枝晶在平面銅集流體（P－Cu）和微孔陣列銅集流體（E－Cu）中的演化示意圖。

綜上所述，這種“疏導(dǎo)”的方法，使得即便鋰枝晶已經(jīng)在電池中大量出現(xiàn)，其對(duì)電池系統(tǒng)的損害程度也能大幅降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)稱半電池樣品在0．5mA／cm2和1mA／cm2的電流密度下，循環(huán)150圈后容量保有率仍分別高達(dá)99％和90％。在更高電流密度下（2mA／cm2），電池仍能穩(wěn)定循環(huán)130圈，而普通銅箔為集流體的電池循環(huán)不到50圈就出現(xiàn)短路。實(shí)驗(yàn)所組裝的全電池同樣具有很好的循環(huán)性能（1C循環(huán)250圈，庫倫效率高達(dá)99．5％）。

圖2（a）微孔陣列銅集流體與普通銅箔集流體半電池在0．5mA／cm2、1mA／cm2和2mA／cm2循環(huán)性能比較圖（b）微孔陣列銅集流體與普通銅箔集流體全電池循環(huán)性能比較圖