鋰離子電池已被證明在消費(fèi)電子領(lǐng)域取得了成功,但電動(dòng)汽車(chē),風(fēng)力渦輪機(jī)或智能電網(wǎng)需要具有更高能量容量的電池.領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)者是鋰金屬電池,它不同于鋰離子技術(shù),因?yàn)樗袖嚱饘匐姌O.


    首先構(gòu)思于1912年,鋰金屬電池具有以低成本大量?jī)?chǔ)存能量的潛力,但它們?cè)馐苤旅毕?樹(shù)突 - 由鋰原子團(tuán)簇制成的尖銳針頭,可能導(dǎo)致電池升溫,偶爾會(huì)發(fā)生短路并著火.


    芝加哥伊利諾伊大學(xué)(UIC)機(jī)械和工業(yè)工程副教授Reza Shahbazian-Yassar說(shuō):"鋰金屬電池基本上是理想的電池,因?yàn)樗鼈兲峁┝藰O高的能量密度.但是,由于異質(zhì)鋰金屬電鍍導(dǎo)致在延長(zhǎng)的電池循環(huán)下產(chǎn)生枝晶,我們無(wú)法構(gòu)建具有有機(jī)液體電解質(zhì)的商業(yè)上可行的鋰金屬電池."


    最近,包括UIC的Shahbazian-Yassar和德克薩斯A＆M大學(xué)的Perla Balbuena在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)一直在尋找解決方案,這部分是通過(guò)應(yīng)用超級(jí)計(jì)算機(jī)的力量來(lái)了解樹(shù)枝晶形成過(guò)程中的核心化學(xué)和物理工作,設(shè)計(jì)新材料以減輕枝晶生長(zhǎng).


    研究人員在2018年2月撰寫(xiě)的高級(jí)功能材料中,將研究結(jié)果提交給一種可以解決長(zhǎng)期枝晶問(wèn)題的新材料.


    "這個(gè)想法是開(kāi)發(fā)一種能夠保護(hù)鋰金屬并使離子沉積更光滑的涂層材料,"德克薩斯農(nóng)工大學(xué)化學(xué)工程教授Balbuena和論文的合著者說(shuō).


    調(diào)查依賴(lài)德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心(TACC)的Stampede和Lonestar超級(jí)計(jì)算機(jī) - 世界上最強(qiáng)大的計(jì)算中心之一.


    在論文中,研究人員描述了一種氧化石墨烯納米片,可將其噴涂到玻璃纖維隔膜上,然后插入電池中.該材料允許鋰離子通過(guò)它,但是減速并控制離子如何與來(lái)自表面的電子結(jié)合成為中性原子.沉積的原子不是形成針,而是在片的底部形成光滑的平坦表面.


    研究人員使用計(jì)算機(jī)模型和模擬結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和顯微成像來(lái)揭示材料如何以及為何有效控制鋰沉積.他們表明,鋰離子在石墨烯氧化物表面上形成薄膜,然后通過(guò)缺陷位點(diǎn) - 基本上在材料層中的間隙 - 擴(kuò)散,然后沉積在氧化石墨烯的底層下面.這種材料的作用就像在彈珠機(jī)游戲中的釘子一樣,在金屬球落下時(shí)減緩和引導(dǎo)金屬球.


    "我們的貢獻(xiàn)是進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,在那里我們按照電子和原子的軌跡及時(shí)觀察原子級(jí)別的情況,"Balbuena說(shuō)."我們有興趣闡明鋰離子如何通過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)散,并在鋰電鍍沉積結(jié)束時(shí)變成原子."


    石墨烯氧化物摻雜的電池顯示出提高的循環(huán)壽命并且表現(xiàn)出高達(dá)160個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定性,而未修改的電池在120次循環(huán)后快速失效.氧化物可以用噴涂槍簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)地施加.


    研究的另一焦點(diǎn)是如何在納米片上噴涂噴霧.Balbuena說(shuō):"當(dāng)你做實(shí)驗(yàn)時(shí),微觀層面上涂層的位置并不清楚."它非常薄,所以精確定位這些涂層并不重要."


    他們的計(jì)算機(jī)模型探討了如果氧化物平行或垂直于集電器取向是否會(huì)更有利.他們發(fā)現(xiàn),兩種方法都可以有效,但如果平行沉積,材料需要一定數(shù)量的缺陷,以便離子可以通過(guò).


    "模擬給我們的合作者關(guān)于通過(guò)涂層的離子轉(zhuǎn)移機(jī)理的想法,"Balbuena說(shuō)."根據(jù)我們觀察到的現(xiàn)象,未來(lái)的某些方向可能會(huì)涉及不同的厚度或化學(xué)成分."


    探索替代陰極材料


    在2018年2月發(fā)表在ChemSusChem上的獨(dú)立研究中,Balbuena和研究生Saul Perez Beltran描述了一種電池設(shè)計(jì),該電池設(shè)計(jì)使用石墨烯片改善另一種潛在的高容量存儲(chǔ)系統(tǒng)鋰硫電池的碳硫陰極的性能.


    除了硫的天然豐度,無(wú)毒性和低成本外,硫基陰極在理論上能夠提供比常規(guī)鋰離子電池中常用的鋰鈷氧化物陰極高10倍的存儲(chǔ).


    然而,電池中的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致形成含有硫原子鏈的化合物鋰多硫化物.長(zhǎng)鏈多硫化物可溶于液體電解質(zhì)并遷移至鋰金屬陽(yáng)極,在那里它們分解,產(chǎn)生不希望的效果.另一方面,短鏈多硫化物不溶并留在硫基陰極.研究人員調(diào)查了陰極微觀結(jié)構(gòu)如何影響這種化學(xué)反應(yīng).


    他們通過(guò)制造避免形成可溶性長(zhǎng)鏈多硫化物的硫/石墨烯復(fù)合材料解決了不受控制的多硫化物形成的問(wèn)題.他們發(fā)現(xiàn)石墨烯片為陰極帶來(lái)了穩(wěn)定性并提高了它的離子捕集能力.


    Balbuena的研究得到了能源部的支持,作為電池材料研究和電池500幼苗項(xiàng)目的一部分,這兩個(gè)項(xiàng)目旨在創(chuàng)造更小,更安全,更輕,更便宜的電池組,從而使電動(dòng)汽車(chē)更加實(shí)惠.


    Stampede及其后續(xù)的Stampede2得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助,并允許全國(guó)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的研究人員探索我們無(wú)法解決的問(wèn)題.


    "這些是非常廣泛的計(jì)算,這就是為什么我們需要高性能計(jì)算機(jī),"Balbuena說(shuō)."我們是TACC資源的重要用戶(hù),我們非常感謝得克薩斯大學(xué)允許我們使用這些設(shè)施."


    對(duì)于Balbuena而言,超級(jí)計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的下一代電池基礎(chǔ)研究是她的興趣的完美結(jié)合.