锡夹层：防止锂离子电池短路的革命性解决方案

锂离子电池因其高能量密度、快速充电能力和承受多次充电放电循环的能力而备受赞誉。然而，这些电池面临的最大挑战之一是它们容易发生短路。发生短路时，可能会导致电压突然下降或突然大电流放电，这可能会导致电池故障。在严重的情况下，短路甚至会导致电池过热、起火或爆炸。

了解锂离子电池的短路

锂离子电池的短路通常是由于电池的两个电极之间意外连接而发生的。这种连接可能会导致灾难性的故障，尤其是当它导致能量快速释放时。这些电池短路的主要原因之一是枝晶的形成——枝晶是生长在电极上的微观树状结构。如果这些枝晶膨胀到足以到达相反的电极，它们就会引起短路。

树突在电池故障中的作用

树枝状晶体结构  在充电过程中形成，特别是在锂离子不均匀地沉积在电极表面的情况下。随着时间的推移，这些枝晶会生长，最终会刺穿隔板，导致电极短路。这不仅会带来安全风险，还会限制电池的效率和寿命。

阿尔伯塔大学的突破性研究

阿尔伯塔大学 (UAlberta) 的研究人员与萨斯喀彻温大学 (USask) 的加拿大光源 (CLS) 合作，开发出了一种创新方法来缓解固态锂离子电池中枝晶的形成。他们的研究发表在 ACS 应用材料与界面 期刊，在电极和电解质之间引入了一层锡饱和夹层。该锡层在沉积过程中分散锂，形成更光滑的表面，不利于枝晶的形成。

锡中间层的工作原理

锡夹层通过改变锂在电极上的沉积动力学来发挥作用。在充电过程中，锂往往会以导致粗糙、不平整表面的方式沉积，这容易导致枝晶生长。然而，锡饱和层会促进锂更均匀地沉积，从而形成光滑、抗枝晶的表面。这大大降低了短路的可能性，并提高了电池的整体稳定性。

富锡结构增强性能

阿尔伯塔大学的研究人员发现，与标准电池相比，配备这种富含锡的中间层的电池可以处理更高的电流并承受更多的充电放电循环。这种改进不仅延长了电池的寿命，而且使其在高性能应用中更安全，例如电动汽车或大型储能系统。

HXMA光束线在研究中的意义

阿尔伯塔大学理学院（化学系）助理教授 Lingzi Sang 强调了 CLS 的 HXMA 光束线在他们的研究中发挥的关键作用。该光束线使团队能够在材料层面实时观察和了解活动电池中锂表面的结构变化。这加深了他们对锡中间层如何抑制枝晶形成和降低短路风险的理解。

早期发现和电池安全的未来

这并不是阿尔伯塔大学团队第一次探索锡作为保护层的潜力。在之前的一项研究中，他们证明锡涂层也可以防止液态电解质锂离子电池中形成枝晶。这些累积的发现表明锡夹层技术在不同类型的锂离子电池中具有更广泛的适用性。

行业影响和未来方向

桑教授表示，这种锡中间层技术的开发具有巨大的工业应用潜力。研究团队的下一步是开发一种经济高效、可扩展的方法，将这种保护层集成到的制造过程中锂离子电池。如果成功，这将带来新一代更安全、更可靠的电池，并可广泛用于商业用途。