鋰金屬基電池有可能顛覆電池行業(yè)。憑借其理論上使用的鋰金屬的超高容量，這種新型電池可為從個(gè)人設(shè)備到汽車的所有設(shè)備供電。

西北大學(xué)的黃嘉興解釋說：“在當(dāng)前的電池中，鋰通常原子分布在另一種材料中，例如陽極中的石墨或硅。” “但是使用其他材料會(huì)'降低'電池的性能。鋰已經(jīng)是金屬了，那么為什么不單獨(dú)使用鋰呢?”

答案是科學(xué)家經(jīng)過多年努力克服的研究挑戰(zhàn)。Huang說，隨著鋰在電池中的充放電，鋰開始生長(zhǎng)出樹枝狀和細(xì)絲狀，這會(huì)引起許多問題。“充其量會(huì)導(dǎo)致電池性能迅速下降。最壞的情況會(huì)導(dǎo)致電池短路甚至著火。”

繞過鋰的破壞性樹枝狀晶體的一種當(dāng)前解決方案是使用多孔支架，例如由碳材料制成的多孔支架，鋰優(yōu)先沉積在該多孔支架上。然后，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰可以沿支架表面沉積，避免了樹枝狀晶體的生長(zhǎng)。但是，這帶來了新的問題。隨著鋰在電池循環(huán)中沉積到多孔支撐物上然后從多孔支撐物上溶解，其體積會(huì)發(fā)生明顯波動(dòng)。該體積波動(dòng)引起可能破壞多孔載體的應(yīng)力。

Huang和他的合作者通過采取另一種方法解決了這個(gè)問題，該方法甚至可以使電池重量更輕并且能夠容納更多的鋰。

解決方案在于由皺折的石墨烯球制成的支架，由于其類似于紙球的形狀，其可以容易地堆疊以形成多孔支架。它們不僅可以防止枝晶生長(zhǎng)，而且還可以抵抗鋰含量波動(dòng)引起的應(yīng)力。這項(xiàng)研究發(fā)表在《焦耳》一月刊的封面上。

西北部麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)教授黃說：“制造能承受高壓力的東西的一種普遍哲學(xué)是使其堅(jiān)固到堅(jiān)不可摧。” “我們的策略是基于相反的觀點(diǎn)。我們的支架不是試圖使其堅(jiān)不可摧，而是由松散堆積的顆粒組成，可以很容易地重新堆積。”

六年前，黃先生發(fā)現(xiàn)了皺巴巴的石墨烯球，這是一種新型的超細(xì)顆粒，類似于皺巴巴的紙球。他通過將石墨烯基薄片的分散液霧化成微小的水滴而制成顆粒。當(dāng)水滴蒸發(fā)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用力，將紙張弄皺成微型紙球。

在Huang團(tuán)隊(duì)的電池中，皺折的石墨烯支架可適應(yīng)鋰在陽極和陰極之間循環(huán)時(shí)的波動(dòng)。當(dāng)鋰沉積時(shí)，壓皺的球會(huì)分開，然后在鋰耗盡時(shí)很容易重新組裝在一起。由于微型紙球具有導(dǎo)電性，并允許鋰離子沿其表面快速流動(dòng)，因此支架可為鋰電形成連續(xù)導(dǎo)電的動(dòng)態(tài)多孔網(wǎng)絡(luò)。

該論文的同時(shí)通訊作者，中國天津大學(xué)化學(xué)工程學(xué)教授羅佳彥說：“密密麻麻地堆滿了皺巴巴的石墨烯球，就像一個(gè)高度均勻，連續(xù)的固體一樣。” “我們還發(fā)現(xiàn)，皺縮的石墨烯球不會(huì)形成簇，而是相當(dāng)均勻地分布。”

羅先生曾在黃老師的指導(dǎo)下于2013年獲得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位?，F(xiàn)在，羅老師作為天津大學(xué)的教授和研究員，繼續(xù)與黃老師合作。

與在陽極中使用石墨作為主體材料的電池相比，Huang的溶液重量輕得多，并且可以在循環(huán)過程中穩(wěn)定較高的鋰負(fù)載量。典型的電池封裝的鋰只有幾十微米厚，而Huang的電池可將鋰堆疊成150微米高。