使用皱纹的石墨烯球制成更好的电池

锂金属基电池有可能颠覆电池行业。凭借其理论上使用的锂金属的超高容量，这种新型电池可为从个人设备到汽车的所有设备供电。

西北大学的黄嘉兴解释说：“在当前的电池中，锂通常原子分布在另一种材料中，例如阳极中的石墨或硅。” “但是使用其他材料会'降低'电池的性能。锂已经是金属了，那么为什么不单独使用锂呢?”

答案是科学家经过多年努力克服的研究挑战。Huang说，随着锂在电池中的充放电，锂开始生长出树枝状和细丝状，这会引起许多问题。“充其量会导致电池性能迅速下降。最坏的情况会导致电池短路甚至着火。”

绕过锂的破坏性树枝状晶体的一种当前解决方案是使用多孔支架，例如由碳材料制成的多孔支架，锂优先沉积在该多孔支架上。然后，当电池充电时，锂可以沿支架表面沉积，避免了树枝状晶体的生长。但是，这带来了新的问题。随着锂在电池循环中沉积到多孔支撑物上然后从多孔支撑物上溶解，其体积会发生明显波动。该体积波动引起可能破坏多孔载体的应力。

Huang和他的合作者通过采取另一种方法解决了这个问题，该方法甚至可以使电池重量更轻并且能够容纳更多的锂。

解决方案在于由皱折的石墨烯球制成的支架，由于其类似于纸球的形状，其可以容易地堆叠以形成多孔支架。它们不仅可以防止枝晶生长，而且还可以抵抗锂含量波动引起的应力。这项研究发表在《焦耳》一月刊的封面上。

西北部麦考密克工程学院材料科学与工程学教授黄说：“制造能承受高压力的东西的一种普遍哲学是使其坚固到坚不可摧。” “我们的策略是基于相反的观点。我们的支架不是试图使其坚不可摧，而是由松散堆积的颗粒组成，可以很容易地重新堆积。”

六年前，黄先生发现了皱巴巴的石墨烯球，这是一种新型的超细颗粒，类似于皱巴巴的纸球。他通过将石墨烯基薄片的分散液雾化成微小的水滴而制成颗粒。当水滴蒸发时，它们会产生毛细作用力，将纸张弄皱成微型纸球。

在Huang团队的电池中，皱折的石墨烯支架可适应锂在阳极和阴极之间循环时的波动。当锂沉积时，压皱的球会分开，然后在锂耗尽时很容易重新组装在一起。由于微型纸球具有导电性，并允许锂离子沿其表面快速流动，因此支架可为锂电形成连续导电的动态多孔网络。

该论文的同时通讯作者，中国天津大学化学工程学教授罗佳彦说：“密密麻麻地堆满了皱巴巴的石墨烯球，就像一个高度均匀，连续的固体一样。” “我们还发现，皱缩的石墨烯球不会形成簇，而是相当均匀地分布。”

罗先生曾在黄老师的指导下于2013年获得材料科学与工程博士学位。现在，罗老师作为天津大学的教授和研究员，继续与黄老师合作。

与在阳极中使用石墨作为主体材料的电池相比，Huang的溶液重量轻得多，并且可以在循环过程中稳定较高的锂负载量。典型的电池封装的锂只有几十微米厚，而Huang的电池可将锂堆叠成150微米高。