鋰金屬電池比我們目前在手機(jī)、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(gè)致命的缺陷，那就是這些電池的充放電過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋰不均勻地沉積在電極上，因而沒(méi)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(yán)重還會(huì)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(gè)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(yùn)行。研究人員在“高級(jí)功能材料”雜志上報(bào)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(zhǎng)鋰金屬電池的使用壽命?！敝ゼ痈绱髮W(xué)工程學(xué)院的機(jī)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?fù)碛懈叩哪芰棵芏群拖鄬?duì)較輕的重量。然而，在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，鋰離子以一種分支或“樹(shù)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(shù)突狀”晶體在電解質(zhì)溶液中生長(zhǎng)并與另一個(gè)電極接觸，那么電池就可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性問(wèn)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(guò)，同時(shí)保持阻塞其它組分，以防止發(fā)生電路短路。

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-40℃最大放電倍率：1C
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Reza與同事在鋰金屬電池中使用了一種改良的隔膜來(lái)調(diào)節(jié)鋰離子的流動(dòng)，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(shù)枝狀晶體。他們?cè)诓ＡЮw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(shuō)：“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(shí)際上在鋰金屬電池中使用這種納米薄片的時(shí)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。”

德克薩斯A&M大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的分子模擬試驗(yàn)表明，鋰離子暫時(shí)會(huì)粘附在氧化石墨烯上，然后在薄片中的納米級(jí)缺陷區(qū)域發(fā)生擴(kuò)散，降低了鋰離子的通過(guò)速率，抑制了在電極上形成鋰的樹(shù)突狀晶體沉積。

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

芝加哥大學(xué)工程學(xué)院的機(jī)械和工業(yè)工程系教授、該論文作者FarzadMashayek指導(dǎo)的相場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明，氧化石墨烯還可以抑制樹(shù)突狀鋰晶體的生長(zhǎng)。

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Shahbazian-Yassar說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)由于氧化石墨烯層時(shí)改變了鋰離子擴(kuò)散速率，所以二維石墨烯氧化物材料能夠抑制樹(shù)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(kuò)展性很強(qiáng)”