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高工锂电技术与应用(微信号：weixin-gg-lbte)获悉，美国莱斯大学的研究者已经开发出一种检测系统，能够在具有锂金属负极的双电极电池中，不需要额外的电极，就可以提醒锂枝晶的形成。
莱斯大学实验室的专家詹姆斯·图尔(James Tour)制作了在隔膜上带有红磷涂层的测试电池，使负极和正极电极保持分开。磷作为管理系统的“间谍”，用于通过检测锂枝晶的形成来对电池进行充电和监测。
可充电锂金属电池中的一层红磷可以在有害的锂枝晶发生短路时发出信号。(图片来源：莱斯大学)
锂金属电池因其高能量密度和功率密度而被认为是下一代技术。但在商业上，锂金属仅用于不可充电的一次电池，因为在充电时与枝晶生长相关的安全问题可能穿透隔膜并导致短路，火灾和爆炸。传统锂离子电池中，在过充电时、过放电后充电以及高速充电也会发生枝晶生长。
关于锂枝晶检测的研究很少，唯一已知的方法是在连接到第三电极的隔板中使用Cu膜来检测短路。增加的三电极电池的制造复杂性阻碍了这种大规模使用的应用。
“...如果检测系统可以与锂金属负极结合使用，其中树枝状晶体的生长机会会降低，那么大规模生产安全的可充电锂金属电池就可以成为现实。我们在此描述了在普通的双电极电池系统中使用红磷(RP)涂层隔板进行锂枝晶检测。不需要额外的电极，并且可以简单地基于电压分布检测锂枝晶的存在。
选择红磷是因为a)它是非导电的，这对于制造或改进隔板是必不可少的，因为它不会增加形成内部短路的风险; b)在室温下呈化学惰性，易于加工，与各种电解质相容; c)它与锂金属反应; d)价格低廉且广泛可用。我们尝试了其他绝缘或半导体材料，如Si，SiO2和S，但它们不能产生质量负载≤4mgcm-2的可靠的树突检测信号。”
——詹姆斯·图尔(James Tour)的论文原文
与常见的锂离子负极相比，锂金属负极充电速度更快，容量约为其体积的10倍。然而，充入锂的负极会形成树枝状晶体，如果它们到达正极，会导致短路并可能引起火灾或爆炸。当枝晶到达红色磷涂层隔膜时，电池的充电电压会发生变化。这告诉电池管理系统停止充电。
詹姆斯在文章中表示，用第三电极制造电池非常困难。我们提出了一个静电层，在电池充电时会产生电压尖峰。这个尖峰是一个关闭它的信号。
同时，值得关注的是，红色磷层对实验室测试电池实验中的正常性能没有显著影响。
研究人员建造了一个透明的测试电池，其中含有一种电解质，可以加速正极的老化并促进树枝状晶体的生长。这让他们在看到锂枝晶生长的同时监控电压。
使用普通的隔膜，他们看到枝晶接触并穿透分离器而电压没有变化，这种情况会导致正常的电池失效。但是，对于红磷层，当枝晶与隔膜接触时，它们观察到电压急剧下降。
半电池锂金属电池的图像显示树枝状晶体接近红磷分离器。隔膜向电池的电子设备发出信号，以便在锂枝晶可能造成短路时关闭。(图片来源：莱斯大学)
去年，该实验室推出的碳纳米管薄膜似乎完全阻止了锂金属负极的枝晶生长。
詹姆斯吧表示，通过结合最近的两项进展，可以减轻锂枝晶的增长，并且有一项内部保险政策，电池将在不太可能发生的情况下关闭，甚至单个枝晶也会开始向正极发展。
当电池导入大规模制造时，对于安全问题非常敏感，詹姆斯表示，他的工作为电池安全提供了进一步的保障。而且在产业化时更容易实现。
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