鋰離子電池是現(xiàn)下隨處可見(jiàn)的電池，無(wú)論 3C 產(chǎn)品或未來(lái)的電動(dòng)車，使用都是鋰離子電池為最大宗，于是材料學(xué)者與研究人員十分關(guān)注鋰離子電池的容量、壽命與安全性。近日美國(guó)西北大學(xué)利用弄皺的石墨烯球，讓鋰離子電池有突破性的發(fā)展，可增加電池的容量并減少晶枝產(chǎn)生。

    西北大學(xué) McCormick 的材料科學(xué)教授 Jiaxing Huang 表示，目前的電池中，通常用矽或是石墨來(lái)當(dāng)鋰離子電池的陽(yáng)極材料，但使用這些材料會(huì)讓電池的電能下降。鋰本身即是具導(dǎo)電性的金屬，于是他們打算使用鋰做陽(yáng)極材料。

    但鋰活性較強(qiáng)，在充放電時(shí)容易沉積，并在陽(yáng)極產(chǎn)生樹(shù)枝狀晶枝，進(jìn)而阻礙電池的性能或是刺穿絕緣層，最終導(dǎo)致電池短路或是爆炸。目前各國(guó)廠商與研究所也正尋找緩解晶枝生長(zhǎng)的方法，例如使用不同的電解液。

    也有研究人員認(rèn)為可以制造一個(gè)支架，讓鋰金屬沉積在上面，但隨著充放電次數(shù)增加，鋰的體積會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致支架不堪負(fù)荷。西北大學(xué)的研究人員則發(fā)現(xiàn)可以用凹凸不平的石墨烯球堆疊做成支架，除了能承受鋰的壓力，也可以防止晶枝生長(zhǎng)。

    西北大學(xué)早在 2011 年就開(kāi)始研究弄皺的石墨烯球，其將石墨烯霧化（atomizing）成微小的水滴形狀，利用水分蒸發(fā)時(shí)的毛細(xì)管力（capillary force）作用，將石墨烯變成粗糙的球形。當(dāng)時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，由于可以保有石墨烯的導(dǎo)電性與表面積大小，皺皺的石墨烯球更能保存能量。

    而如今西北大學(xué)將石墨烯球堆疊成多孔支架，讓鋰金屬可沉積在上面，避免晶枝生長(zhǎng)。Huang 表示，他們要制造一個(gè)可在高壓狀態(tài)下強(qiáng)度足夠、不會(huì)破裂的支架。而我們的策略是反向思考，利用松散的顆粒制成，不是將石墨烯球緊密固定住。

    該石墨烯支架具有導(dǎo)電性，可以讓鋰離子在陰極與陽(yáng)極間流動(dòng)，而當(dāng)鋰沉積時(shí)，石墨烯球會(huì)相互分開(kāi)，在鋰耗盡時(shí)再組裝回去。中國(guó)天津大學(xué)化學(xué)工程系副教授 Jiayan Luo 表示，弄皺的石墨烯球也不會(huì)黏成一團(tuán)，可封裝成均勻且連續(xù)的固體。

    與一般石墨做陽(yáng)極的電池相比，該電池的溶液重量較輕，且能在頻繁充放電時(shí)負(fù)荷鋰離子的沉積作用。以往的電池僅能讓鋰沉積幾十微米，該電池則能堆疊高達(dá) 150 微米的鋰離子。