拥有高能量密度与高工作电压的锂离子电池是各家首选储能配备, 智能手机, 电动车到大型储能发电厂都会出会它的身影, 但乍看无所不能的电池其实有致命缺点, 锂金属在过充或多次循环使用后容易生成枝晶, 进而刺穿隔离层导致自爆. ·
为了解决电池短路自爆风险, 科家与各大厂商不断寻找解决方案, 伊利诺伊大学芝加哥分校 (UIC) 机械与工业工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示, 虽然有机电解液可以提升锂离子电池能量密度, 但非均质 (heterogeneous) 锂金属在多次充放电之后, 锂表面容易沉积不均匀并长出枝晶, 因此目前尚未成功研发可商业化的有机电解液锂离子电池.
因此 UIC 与德克萨斯州 A&M 大学 (TAMU) 组成团队, 盼能加速找出解决办法, 并希望能通过超级电脑来了解枝晶形成过程中化学与物理原理. TAMU 化学工程教授 Perla Balbuena 表示, 团队目的是开发可保护锂金属的涂料 (coating material) , 并可借由涂料减缓锂沉积 (deposition) .
团队研发一种可喷在电池玻璃纤维分离层的氧化石墨烯 (graphene oxide) 纳米层片 , 这些材料能让锂离子顺利流动, 同时也可减缓并控制离子与电子结合变成中性原子的速度. 该涂料让原子沉积不会像针 (needles) 一样不平均, 而是在底部形成平坦表面.
研究员利用电脑模型与模拟, 并结合物理实验与显微镜成像. 结果显示锂离子会在氧化石墨烯层上形成薄膜, 再通过材料间隙沉积到氧化石墨烯层底下, 材料间隙作用类似于怀旧弹珠台的轨道, 可放慢沉积速度与引导方向.
氧化石墨烯也可增加电池循环寿命, 与其他电池的 120 次循环寿命相比, 该电池可以达到 160 稳定循环.
该氧化石墨烯可借由便宜实惠的喷涂来达成, 但由于涂料很薄, 要确定位置是个挑战, Balbuena 表示, 实验中也无法从微观层面上确定涂层在哪, 该涂料非常薄, 所以不太需要精确定位其位置.
他们也通过电脑模型探讨氧化石墨烯喷涂方式, 想要了解与电流收集器 (current collector) 平行还是垂直比较好, 最终团队发现两者都有效, 但如果想让锂平行沉积, 材料需要足够的间隙. Balbuena 表示, 电脑模拟结果让团队与合作者知道离子如何通过涂层转移, 借由这些研究, 未来可能会朝向不同厚度与材料研究. 目前该成果已发表在《Advanced Functional Materials》.