擁有高能量密度與高工作電壓的鋰離子電池是各家首選儲能配備, 智能手機, 電動車到大型儲能發電廠都會出會它的身影, 但乍看無所不能的電池其實有致命缺點, 鋰金屬在過充或多次迴圈使用後容易生成枝晶, 進而刺穿隔離層導致自爆. ·
為了解決電池短路自爆風險, 科家與各大廠商不斷尋找解決方案, 伊利諾大學芝加哥分校 (UIC) 機械與工業工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示, 雖然有機電解液可以提升鋰離子電池能量密度, 但非均質 (heterogeneous) 鋰金屬在多次充放電之後, 鋰表面容易沉積不均勻並長出枝晶, 因此目前尚未成功研發可商業化的有機電解液鋰離子電池.
因此 UIC 與德克薩斯州 A&M 大學 (TAMU) 組成團隊, 盼能加速找出解決辦法, 並希望能通過超級電腦來了解枝晶形成過程中化學與物理原理. TAMU 化學工程教授 Perla Balbuena 表示, 團隊目的是開發可保護鋰金屬的塗料 (coating material) , 並可藉由塗料減緩鋰沉積 (deposition) .
團隊研發一種可噴在電池玻璃纖維分離層的氧化石墨烯 (graphene oxide) 納米層片 , 這些材料能讓鋰離子順利流動, 同時也可減緩並控制離子與電子結合變成中性原子的速度. 該塗料讓原子沉積不會像針 (needles) 一樣不平均, 而是在底部形成平坦表面.
研究員利用電腦模型與類比, 並結合物理實驗與顯微鏡成像. 結果顯示鋰離子會在氧化石墨烯層上形成薄膜, 再通過材料間隙沉積到氧化石墨烯層底下, 材料間隙作用類似於懷舊彈珠檯的軌道, 可放慢沉積速度與引導方向.
氧化石墨烯也可增加電池迴圈壽命, 與其他電池的 120 次迴圈壽命相比, 該電池可以達到 160 穩定迴圈.
該氧化石墨烯可藉由便宜實惠的噴塗來達成, 但由於塗料很薄, 要確定位置是個挑戰, Balbuena 表示, 實驗中也無法從微觀層面上確定塗層在哪, 該塗料非常薄, 所以不太需要精確定位其位置.
他們也通過電腦模型探討氧化石墨烯噴塗方式, 想要了解與電流收集器 (current collector) 平行還是垂直比較好, 最終團隊發現兩者都有效, 但如果想讓鋰平行沉積, 材料需要足夠的間隙. Balbuena 表示, 電腦類比結果讓團隊與合作者知道離子如何通過塗層轉移, 藉由這些研究, 未來可能會朝向不同厚度與材料研究. 目前該成果已發表在《Advanced Functional Materials》.