雖然目前廣泛應用於手機，筆記本電腦等移動設備的鋰離子電池目前已成為商業電池壽命最長的一年，但由於移動設備的短路，近來也出現了一些最近的崩潰和火災。為了防止更多的這些危險的故障，德雷克塞爾大學的研究人員已經開發了一種可以將電解質溶液（大多數電池的關鍵部件）轉化為防止導致電池相關災害的化學過程的方法。
Yury Gogotsi博士，傑出大學和巴赫教授在工程學院及其材料科學與工程系的研究團隊最近出版了題為“Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites”的作品 - “自然”雜誌通信。在其中，他們描述了一個過程，納米金剛石 - 比頭髮直徑小10,000倍的微小金剛石顆粒，減少稱為電鍍的電化學沉積，這可能導致鋰離子電池的危險短路。
隨著電池的使用和充電，電化學反應導致離子在電池的兩個電極之間移動，這是電流的本質。隨著時間的推移，這種離子的重新定位可以產生卷鬚狀的積累 - 幾乎像在洞內形成的鐘乳石。這些稱為樹突的電池積聚是鋰電池故障的主要原因之一。隨著時間的推移，隨著電池內部的樹枝狀結構的形成，它們可以達到它們穿過隔板的點，這種多孔聚合物膜防止電池的帶正電的部分接觸帶負電的部分。當分離器破裂時，可能會發生短路，這也可能導致火災，因為大多數鋰離子電池中的電解質溶液是高度易燃的。
為了避免樹枝狀結構的形成和火災概率的降低，目前的電池設計包括一個充滿鋰而不是純鋰的填充石墨的電極。使用石墨作為鋰的主體可防止樹突形成。但是鋰嵌入石墨也比純鋰儲存能量的10倍左右。 Gogotsi團隊的突破意味著能量儲存的巨大增長是可能的，因為在純鋰電極中可以消除枝晶形成。
“電池安全是這項研究的關鍵問題，”Gogotsi說。 “手錶中的小一次電池使用鋰陽極，但它們只能放電一次，當您一次又一次地開始充電時，樹突開始增長，可能有幾個安全週期，但遲早會發生短路，我們想消除或至少最小化這種可能性。“
Gogotsi及其與北京清華大學的合作者，以及中國武漢的Hauzhong科技大學，致力於使鋰陽極更穩定，使電鍍更均勻，從而使枝晶不增長。
他們通過在電池中的電解質溶液中加入納米金剛石來做到這一點。納米金剛石已經在電鍍工業中被使用了一段時間，作為使金屬塗層更均勻的一種方式。雖然它們比珠寶商案例中的鑽石要小得多 - 更便宜，但納米金剛石仍然保留了昂貴的祖細胞的規則結構和形狀。當它們沉積時，它們自然地一起滑動以形成光滑的表面。
研究人員發現這種性質對於消除枝晶形成非常有用。在本文中，他們解釋說，鋰離子可以很容易地附著在納米金剛石上，因此當它們電鍍電極時，它們以與它們所連接的納米金剛石顆粒相同的順序進行。他們在報告中報導，將納米金剛石混入鋰離子電池的電解液中，通過100次充放電循環將樹枝狀結構減慢到零。
如果你像俄羅斯方塊遊戲一樣考慮，那麼一堆不匹配的塊在危險的地方接近“遊戲結束”，就相當於一個樹突。將納米金剛石添加到混合物中就像使用代碼將每個新塊滑動到合適的位置以完成線並防止形成威脅塔。
Gogotsi指出，他的團隊的發現只是一個過程的開始，最終可以看到電解質添加劑，如納米金剛石，廣泛用於生產具有高能量密度的安全的鋰電池。初步結果已經顯示出長達200小時的穩定的充放電循環，這足以在一些工業或軍事應用中使用，但不足以用於膝上型電腦或手機中使用的電池。研究人員還需要在不同的物理條件和溫度下在足夠長的時間內測試大量的電池，以確保枝晶永遠不會生長。
Gogotsi說：“這可能是遊戲變化的，但很難百分之百確定樹突不會增長。” “我們預計我們提出的技術的首次使用將在不太關鍵的應用中，而不是在手機或汽車電池中。為了確保安全性，電解質添加劑如納米金剛石需要與其他預防措施相結合，例如使用非 易燃電解質，更安全的電極材料和更強的分離器。“
