鋰離子電池給移動(dòng)電子設(shè)備帶來了革命性的變革，并正在交通運(yùn)輸方面取得進(jìn)展，但是要想進(jìn)一步改善電池的使用壽命和功率，就需要新技術(shù)。其中一種選擇是：鋰金屬電池，它的使用壽命更長，充電速度更快，但這項(xiàng)技術(shù)存在問題。鋰沉積物(通常被稱為鋰枝晶)傾向于在陽極上生長，這可能會(huì)產(chǎn)生短路，從而導(dǎo)致電池失效、著火或爆炸。

石墨炔結(jié)構(gòu)(左圖)及其在抑制鋰金屬電池中鋰枝晶生長的應(yīng)用(右圖)

現(xiàn)在，來自中國科學(xué)院化學(xué)研究所，中國科學(xué)院大學(xué)，南開大學(xué)，汕頭大學(xué)和中國高壓科學(xué)技術(shù)高級研究中心的研究人員設(shè)計(jì)了一種基于碳同素異形體(名為石墨炔)的隔膜，用作鋰離子的過濾器，并防止枝晶生長。科研人員將這一科研成果發(fā)表在了“Materials Today Energy”雜志上。

鋰金屬電池在概念上類似于鋰離子電池，但依賴于鋰金屬陽極。在放電過程中，鋰金屬陽極通過外部電路向陰極提供電子。然而，在充電時(shí)，鋰金屬會(huì)沉積在陽極上。正是在這個(gè)過程中，不受歡迎的樹突才能形成。

這就是隔膜發(fā)揮作用的地方。薄的隔膜由超薄(10nm)的石墨制炔成，(石墨炔是由丁二烯鍵連接的二維單層碳原子六角形)，具有一些顯著的特性。石墨炔不僅同時(shí)具有柔韌性和堅(jiān)固性，其化學(xué)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)均勻的多孔網(wǎng)格，只允許一個(gè)鋰離子通過每個(gè)孔。這調(diào)節(jié)了離子通過薄膜的運(yùn)動(dòng)，使得離子的擴(kuò)散高度均勻。對于電池而言重要的是，該膜的這種特征有效地抑制了鋰枝晶的生長。

“抑制鋰枝晶可以穩(wěn)定固體電解質(zhì)中間相，從而提高裝置的壽命和庫侖效率，”中國科學(xué)院化學(xué)研究所的李玉良解釋說。“它可以避免樹枝狀的鋰枝晶引發(fā)短路，從而提高電池的安全性。”

研究人員認(rèn)為，石墨炔薄膜可以克服鋰和其他堿金屬電池長期以來所面臨的例如鋰枝晶等棘手的問題。

“石墨炔是一種完美的材料，具有超級共軛結(jié)構(gòu)，固有帶隙，天然大孔結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體特性，這為解決該領(lǐng)域的重大科學(xué)問題提出了巨大的希望。”Li說。

這種二維材料也很簡單，并且在正常的實(shí)驗(yàn)室條件下易于生產(chǎn)。

“盡管需要更多努力來提高大規(guī)模石墨炔膜的質(zhì)量，但我們認(rèn)為石墨炔可能會(huì)在鋰電池的安全性方面帶來一些重大突破。”Li說。

原文來自：materialstoday，原文題目：Carbon layer makes lithium-metal batteries safer，由材料科技在線團(tuán)隊(duì)編譯