dendrite中文：【材料科技】鋰電池樹枝狀結晶的難題

Photo:SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

■在鋰電池發展的路途上，「電極」一直是材料科學相當重視的問題。又或是說，電極根本就是鋰電池能否繼續發展的最關鍵因素。

撰文｜方程毅

環保意識抬頭的今日，油電混合車、電動車受到越來越多重視，矽谷明星公司《特斯拉》的電動車之所以吸引眾家目光，很大一部分是在於其先進的鋰電池(Li-ion battery)技術。縱使鋰電池已經被廣泛運用，我們也曾經在＜從手機到電動車：無處不見的鋰電池＞一文中對鋰電池進行概略性的介紹，但鋰電池仍有許難題尚待克服。今天我們要來介紹鋰電池中另一個重要卻棘手的問題：樹枝狀結晶(dendrite)。[1]

在切入主題之前，先簡單給讀者們建立一些鋰電池背景知識。鋰電池跟一般電池一樣由陽極、陰極及電解液組成，發電的原理是讓鋰離子在陰極、電解質及陽極之間移動，原理與一般電池類似，只是一般電池內電路是靠電解質中的離子與陰陽兩極反應；而鋰電池卻靠輕薄短小的鋰離子穿梭於陰陽兩極之間。

樹枝狀結晶(dendrite)是一個發生在陽極(Anode)上的問題，當陽極為金屬且行放電反應時，陽極上的鋰會丟出一個電子到外電路，自己變成鋰離子進入到電解液中；充電時便是鋰離子接收一個外電路進來的電子變回金屬鋰[註1]。電池不斷充電放電充電放電，金屬鋰便會重複生成游離生成游離。在這個過程中，電極與電解質之間會形成一個介面SEI (solid-electrolyte interphase)，在SEI內若鋰濃度不完全均勻，充電時鋰就不會均勻地在電極上形成，而會形成像樹枝狀一般的結構(如圖)，英文中dendrite是神經樹突的意思，google一下樹突的圖片就能理解為何要如此命名了。充放電次數越多這個問題就越嚴重，當樹枝狀結構越伸越長碰到對面的陰極時就會形成短路。這也是為什麼在1990年代鋰電池的陽極捨棄金屬，而改用石墨的原因。因為石墨電極的工作原理並不是讓鋰直接在石墨表面反應生成金屬，而是鑽進石墨的層狀結構鑲嵌於其中。

但石墨電極的效率畢竟不如金屬，要使用金屬電極並解決樹枝狀結晶可以從電解質或是電極本身下手。2015年史丹佛大學材料系及 SLAC 國家加速器崔屹教授實驗室便發現在鋰電池的電解質中加入 及 可以有...