使用皺紋的石墨烯球制成更好的電池

鋰金屬基電池有可能顛覆電池行業。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人設備到汽車的所有設備供電。

西北大學的黃嘉興解釋說：“在當前的電池中，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'降低'電池的性能。鋰已經是金屬了，那么為什么不單獨使用鋰呢?”

答案是科學家經過多年努力克服的研究挑戰。Huang說，隨著鋰在電池中的充放電，鋰開始生長出樹枝狀和細絲狀，這會引起許多問題。“充其量會導致電池性能迅速下降。最壞的情況會導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，鋰優先沉積在該多孔支架上。然后，當電池充電時，鋰可以沿支架表面沉積，避免了樹枝狀晶體的生長。但是，這帶來了新的問題。隨著鋰在電池循環中沉積到多孔支撐物上然后從多孔支撐物上溶解，其體積會發生明顯波動。該體積波動引起可能破壞多孔載體的應力。

Huang和他的合作者通過采取另一種方法解決了這個問題，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，而且還可以抵抗鋰含量波動引起的應力。這項研究發表在《焦耳》一月刊的封面上。

西北部麥考密克工程學院材料科學與工程學教授黃說：“制造能承受高壓力的東西的一種普遍哲學是使其堅固到堅不可摧。” “我們的策略是基于相反的觀點。我們的支架不是試圖使其堅不可摧，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，黃先生發現了皺巴巴的石墨烯球，這是一種新型的超細顆粒，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。當水滴蒸發時，它們會產生毛細作用力，將紙張弄皺成微型紙球。

在Huang團隊的電池中，皺折的石墨烯支架可適應鋰在陽極和陰極之間循環時的波動。當鋰沉積時，壓皺的球會分開，然后在鋰耗盡時很容易重新組裝在一起。由于微型紙球具有導電性，并允許鋰離子沿其表面快速流動，因此支架可為鋰電形成連續導電的動態多孔網絡。

該論文的同時通訊作者，中國天津大學化學工程學教授羅佳彥說：“密密麻麻地堆滿了皺巴巴的石墨烯球，就像一個高度均勻，連續的固體一樣。” “我們還發現，皺縮的石墨烯球不會形成簇，而是相當均勻地分布。”

羅先生曾在黃老師的指導下于2013年獲得材料科學與工程博士學位。現在，羅老師作為天津大學的教授和研究員，繼續與黃老師合作。

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，并且可以在循環過程中穩定較高的鋰負載量。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。