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致鋰不均勻地沉積在電極上，因而沒有投入商業化使用。這種沉積現象不僅減少了這些電池的使用壽命，更嚴重還會導致電池短路。
目前，芝加哥伊利諾斯大學的研究人員在鋰金屬電池的兩個電極之間放置了一種塗有石墨烯氧化物的“納米薄片”，從而防止了鋰離子發生不均勻電鍍，並使得電池能夠在數百次充放電循環中安全運行。研究人員在“高級功能材料”雜誌上報道了他們的發現。
“我們的研究結果表明，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。”芝加哥大學工程學院的機械與工業工程副教授、該論文的作者Reza Shahbazian-Yassar這樣表示。
與傳統電池相比，鋰金屬電池擁有更高的能量密度和相對較輕的重量。然而，在電池充放電循環過程中，鋰離子以一種分支或“樹突狀”的結構不均勻地堆積在金屬電極上，最終使得電池失效。如果“樹突狀”晶體在電解質溶液中生長並與另一個電極接觸，那麼電池就可能會發生災難性問題。
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製成。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節鋰離子的流動，從而控制鋰離子的沉積速率，並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塗了一種石墨烯氧化物，製作成納米薄片，即新型隔膜。
芝加哥大學工程學院的研究生兼該文章的第一作者Tara Foroozan 說：“研究人員利用掃描電子顯微鏡和其他成像技術發現，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。”
德克薩斯A&M大學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，然後在薄片中的納米級缺陷區域發生擴散，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，有助於在電極表面更均勻地鍍上鋰離子，從而延長電池壽命。”
芝加哥大學工程學院的機械和工業工程系教授、該論文作者Farzad Mashayek指導的相場模擬實驗計算結果表明，氧化石墨烯還可以抑制樹突狀鋰晶體的生長。
Shahbazian-Yassar說：“我們發現由於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應用潛力，可擴展性很強”
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