鋰金屬電池比我們目前在手機、筆記本電腦和電力汽車上使用的可充電鋰離子電池多出10倍的電量。然而，鋰金屬電池存在一個致命的缺陷，那就是這些電池的充放電過程會導(dǎo)致鋰不均勻地沉積在電極上，因而沒有投入商業(yè)化使用。這種沉積現(xiàn)象不僅減少了這些電池的使用壽命，更嚴重還會導(dǎo)致電池短路。

目前，芝加哥伊利諾斯大學(xué)的研究人員在鋰金屬電池的兩個電極之間放置了一種涂有石墨烯氧化物的“納米薄片”，從而防止了鋰離子發(fā)生不均勻電鍍，并使得電池能夠在數(shù)百次充放電循環(huán)中安全運行。研究人員在“高級功能材料”雜志上報道了他們的發(fā)現(xiàn)。

“我們的研究結(jié)果表明，二維氧化石墨烯材料可以在這種情況下控制鋰離子的沉積，從而延長鋰金屬電池的使用壽命。”芝加哥大學(xué)工程學(xué)院的機械與工業(yè)工程副教授、該論文的作者RezaShahbazian-Yassar這樣表示。

與傳統(tǒng)電池相比，鋰金屬電池擁有更高的能量密度和相對較輕的重量。然而，在電池充放電循環(huán)過程中，鋰離子以一種分支或“樹突狀”的結(jié)構(gòu)不均勻地堆積在金屬電極上，最終使得電池失效。假如“樹突狀”晶體在電解質(zhì)溶液中生長并與另一個電極接觸，那么電池就可能會發(fā)生災(zāi)難性問題。

放置在鋰離子電池電解液中的隔膜，通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纖維制成。該隔膜允許鋰離子通過，同時保持阻塞其它組分，以防止發(fā)生電路短路。

Reza與同事在鋰金屬電池中使用了一種改良的隔膜來調(diào)節(jié)鋰離子的流動，從而控制鋰離子的沉積速率，并觀察是否可以防止它們形成樹枝狀晶體。他們在玻璃纖維隔膜上噴涂了一種石墨烯氧化物，制作成納米薄片，即新型隔膜。

芝加哥大學(xué)工程學(xué)院的研究生兼該文章的第一作者TaraForoozan說：“研究人員利用掃描電子顯微鏡和其他成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，實際上在鋰金屬電池中使用這種納米薄片的時候，鋰電極表面形成均勻的鋰膜改善了電池性能，使電池變得更安全?！?/p>

德克薩斯A&M大學(xué)研究團隊的分子模擬試驗表明，鋰離子暫時會粘附在氧化石墨烯上，然后在薄片中的納米級缺陷區(qū)域發(fā)生擴散，降低了鋰離子的通過速率，抑制了在電極上形成鋰的樹突狀晶體沉積。

Reza說：“納米薄片降低了鋰離子的通過速率，有助于在電極表面更均勻地鍍上鋰離子，從而延長電池壽命?！?/p>

芝加哥大學(xué)工程學(xué)院的機械和工業(yè)工程系教授、該論文作者FarzadMashayek指導(dǎo)的相場模擬實驗計算結(jié)果表明，氧化石墨烯還可以抑制樹突狀鋰晶體的生長。

Shahbazian-Yassar說：“我們發(fā)現(xiàn)由于氧化石墨烯層時改變了鋰離子擴散速率，所以二維石墨烯氧化物材料能夠抑制樹突狀晶體的形成。這種方法具有很高的工業(yè)應(yīng)用潛力，可擴展性很強”