陈根：新型可充电装置，有望解决枝晶生长问题

文/陈根

近日，能源研究机构Rystad Energy 发出预警，锂供应不足有可能导致电动汽车面临“电池荒”，寻找锂电池的替代品迫在眉睫。

一般来说，铝和锌具有成本低、安全性高的优点，是替代锂电池的“种子选手”。但目前由于技术原因，开发铝电池或锌电池替代锂电池难度很大，因为金属阳极的可逆性很差，会给相关化学反应带来阻碍，这往往导致很多实用性研究卡在短路失效上。

为此，科学家通过交织碳纤维制成的基材，将铝形成的沉积层和铝结合起来，形成一种新型储能材料，进而研发出一款循环寿命高达10000次、可维持稳定运行2000多小时，且没有任何失效迹象的新型可充电装置。

铝或锌等金属与图案化基底之间的牢固化学键，是形成致密且均匀的非平面金属沉积层的关键。这种牢固化学键，不仅能降低形成电化学断开的金属碎片的可能性，还能使电池循环中的金属阳极可以连续进入离子和电子传输路径。

同时，在碳纤维基底表面上，金属铝会形成“铝–氧–碳”键，借此形成高度均匀的沉积层，可让金属阳极具备 99% 以上的高度可逆性和长达3600h的循环稳定性。这种金属与图案化基底相结合的方法，可拓展到金属锌阳极，并让其也实现高可逆性。

另外，先前高容量铝合金电池中存在严重的枝晶生长问题，容易导致电池短路、容量衰减等问题。但科学家通过设计基底的几何结构和表面化学，以及诱导铝金属负极均匀沉积，可让铝合金电池在高电流、高容量的循环条件下，避免枝晶生长。

简单来说，该方法主要利用化学驱动力，来促使铝元素均匀沉积到3D 结构的空隙中。并且，这种新型电极具备更高的厚度，相比其他电极反应速度也快得多。

为探索更多应用可能性，科学家还研究了锌的电沉积，其在碳纤维基底上引入石墨烯涂层，来提升金属和基材之间的相互作用，锌电镀和剥离的可逆性、以及使用寿命也可借此提高。

由此可见，只需经过合理设计，就能实现强相互作用的“金属-基底”界面结合，从而将“金属-基底”键合扩展到其他电沉积体系。这项研究技术对环境非常友好，有望提高可再生能源的储存，并且铝和碳的两极材料也比较低廉，未来，在开发和运用方面，也具有很大的潜力。