驭“锂”翱翔——科技助力新能源汽车“心脏”升级，开启无枝晶电池新时代！

    安徽职业技术大学 陆艺璇

    朋友们，当你驾驶或乘坐一辆安静、环保的新能源汽车时，可曾想过是什么在驱动它飞驰？没错，就是那块藏在车底的“大电池”——新能源汽车的“心脏”！在咱们安徽，新能源汽车产业可是十大新兴产业中的“明星”，发展势头迅猛。而支撑这绿色出行的核心，正是不断进化的锂离子电池技术。

图 1“千万IP创科普”&“皖美科装”科普作品+新能源汽车是安徽重点发展的新兴产业之一，其“心脏”就是动力电池

    一、 认识电池“心脏”：锂离子的“搬运工”

    简单来说，锂电池就像一个高效的能量“中转站”。它的核心单元叫“电芯”，主要由正极、负极、隔膜和电解质组成（见图2）。充电时，就像给电池“加油”，外部的电流会驱动电池内部的锂离子从正极材料（如常见的磷酸铁锂）中“跑出来”，穿过中间的电解质和隔膜“安全通道”，最终“挤”进负极材料（如石墨）的结构空隙中存储起来。放电时（比如车开动时），这些储存的锂离子又会“原路返回”正极，同时释放出电流驱动电机。这个锂离子来回“搬家”的过程，就是我们使用的电能！

图 2“千万IP创科普”&“皖美科装”科普作品+锂电池工作原理：锂离子在充放电过程中在正负极间“穿梭搬运电荷”

    二、 能量密度的追求：锂金属负极的诱惑与挑战

    为了让我们爱车跑得更远、充电更快，科学家们一直在追求更高的能量密度（单位体积或重量能存储更多电能）。一个诱人的方向就是用锂金属直接做负极，因为锂金属本身能“装”下比石墨多得多的锂离子，理论上能让电池续航里程大幅提升！然而，“理想很丰满，现实很骨感”。锂金属负极在实际应用中遇到了两个大麻烦：

    “刺头”枝晶：充电时，锂离子在负极表面沉积不均匀，容易形成尖尖的“枝晶”。这些“刺头”不仅会刺破脆弱的隔膜，造成电池短路起火（想想都危险！），还会不断消耗电解液和活性锂，让电池容量急剧下降，寿命大大缩短。

    “堵车”的界面：锂离子从电解液进入锂金属内部或从其内部出来的过程（专业上叫“跨界面传输”），阻力很大，就像高峰期堵车，影响充放电速度。

    同样，在正极侧，无论是磷酸铁锂这类“插层型”材料，还是硫这类“转换反应型”材料，也存在锂离子传输慢、反应阻力大的问题。

图 3“千万IP创科普”&“皖美科装”科普作品+电池性能提升的“拦路虎”：负极枝晶生长和正负极界面/内部的离子传输阻力

    三、 科研力量：中国科学院纳米所的“界面催化”妙招

    如何解决这些难题，让锂金属电池从实验室走向我们的爱车？中国科学院的科研力量正在大显身手！中国科学院纳米所的蔺洪振研究员团队，提出了一个巧妙的“界面催化”策略，就像给电池的关键“路口”安装了高效的“交通疏导系统”和“平整剂”！他们的解决方案非常有针对性：

    正极侧“加速器”：在正极表面引入高活性的缺陷基催化剂或单原子催化剂。想象一下，这些极其微小的催化剂就像高效的“反应加速剂”，能显著降低硫等正极材料在充放电过程中化学转换的“门槛”（势垒），让锂离子“进出”正极的速度更快、更顺畅。

    负极侧“双管齐下”：

    “铺路工”合金层：在锂金属负极表面引入一层特殊设计的功能性合金层。这层“合金路面”能有效降低锂离子跨越金属/电解液界面的阻力（跨界面传输势垒），让锂离子更容易“落户”。

    “平整剂”与“调度员”：再覆盖一层富含缺陷的催化调控层。这层有两个关键作用：一是大大加快锂离子在界面的“去溶剂化”速度（想象锂离子甩掉周围包裹的溶剂分子“包袱”，轻装上阵进入金属）；二是像“调度员”一样均一化锂离子流，防止局部“堵车”导致锂沉积不均匀。

    “晶核引导员”：更进一步，引入负载金属单原子的界面层。上面布满的活性单原子位点，如同一个个“锚点”，能有效降低锂原子沉积形成初始“晶核”的难度（成核势垒），并促进锂原子在金属表面横向扩散的速度（而不是一味向上长高）。这相当于从源头引导锂“平铺”开来，而不是“竖着长刺”。

图 4“千万IP创科普”&“皖美科装”科普作品+在电池关键“路口”安装“交通优化系统”，促进锂离子快速、均匀、安全地沉积/脱出

    通过这一系列精妙的“界面催化”调控，蔺洪振团队成功降低了锂传输阻力、提升了反应动力学，并有效抑制了枝晶生长。这意味着更安全、更高能量密度、更长寿命的锂金属电池正从蓝图走向现实！作为新型电池的“明日之星”，锂金属电池的发展潜力巨大，它不仅能让我们未来的新能源汽车跑得更远、充电更快、更安全，还将深刻变革储能电站、便携电子设备等领域。想象一下，电网能更高效地储存太阳能、风能，手机几天甚至一周才充一次电……这将是多么激动人心的场景！

    作者：陆艺璇 安徽职业技术大学/教师 ；王 威   中国科学技术大学先进技术研究院 教师

来源: 安徽省科学技术协会