鋰金屬電池 - 比目前為我們的手機，筆記本電腦和汽車供電的鋰離子電池的電量高出10倍 - 由于致命的缺陷而沒有商業(yè)化：因為這些電池充電和放電，鋰不均勻地沉積在電極上。這種堆積會使這些電池的壽命縮短到太短而無法使其可行，更重要的是，這會導致電池短路并著火。
現在，伊利諾伊大學芝加哥分校的研究人員以石墨烯 - 氧化物涂層的“納米片”的形式開發(fā)了一種解決這個問題的方法，當放置在鋰金屬電池的兩個電極之間時，可防止鋰的不均勻電鍍并允許電池安全地運行數百次充電/放電循環(huán)。他們在雜志上報告了他們的發(fā)現新型功能材料。
“我們的研究結果表明，二維材料 - 在這種情況下，氧化石墨烯 - 可以幫助調節(jié)鋰沉積，從而延長鋰金屬電池的使用壽命，”機械和電子學副教授Reza Shahbazian-Yassar說。 UIC工程學院的工業(yè)工程和論文的相應作者。
與傳統(tǒng)電池相比，鋰金屬電池因其高能量密度和相對較輕的重量而非常有用。然而，在許多充電 - 放電循環(huán)的過程中，鋰以不連續(xù)的形式在電池的鋰金屬電極上以分支或“樹枝狀”模式累積，并最終導致電池耗盡。如果樹枝狀晶體通過電解質溶液生長并與另一個電極接觸，則電池可能會發(fā)生災難性事件 - 換句話說，爆炸或火災。
在鋰離子電池中，隔板放置在電解質中。通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纖維制成，隔板允許鋰離子流過，同時保持其他部件被阻擋以防止電短路，這可能導致火災。
Reza及其同事在鋰金屬電池中使用改進的隔膜來調節(jié)鋰離子的流量，以控制鋰沉積的速率，看看它們是否可以防止形成樹枝狀晶體。他們用氧化石墨烯噴涂玻璃纖維隔板，生產出所謂的納米片。
利用掃描電子顯微鏡和其他成像技術，研究人員表明，當納米片用于鋰金屬電池時，在鋰電極表面形成均勻的鋰膜，這實際上改善了電池功能并使電池更安全， Tara Foroozan，UIC工程學院的研究生，也是這項研究的第一作者。
由德克薩斯A&M大學的一組研究人員領導的分子模擬表明，鋰離子暫時與氧化石墨烯結合，然后擴散通過片材中的納米級缺陷區(qū)域。這延遲了鋰離子的通過，足以防止在電極上形成鋰的樹枝狀沉積。
“納米片足以減緩鋰離子的通過，從而可以更均勻地鍍在電極表面的鋰離子上，這有助于延長電池壽命，”Reza說。
由UIC工程學院教授兼機械和工業(yè)工程系主任Farzad Mashayek和該論文的作者領導的相場模擬計算結果表明，氧化石墨烯也可以機械地抑制鋰枝晶的生長。
“我們表明，二維氧化石墨烯材料能夠通過改變鋰離子在通過氧化石墨烯層時的擴散速率來阻止枝晶的形成，”Shahbazian-Yassar說。“這種方法具有很高的工業(yè)應用和可擴展性潛力。