鋰離子電池使移動電子技術發生了革命性變革, 並且正在新能源設備等方面上投入使用, 但是壽命和電力的進一步改善將需要新技術. 一種選擇是鋰金屬電池, 其持續時間更長, 充電速度更快, 但這種技術存在問題. 被稱為枝晶的鋰沉積物傾向於在陽極上生長, 潛在地造成短路, 這可能導致電池失效, 著火或爆炸.
現在, 中國科學院化學研究所, 中國科學院大學, 和中國高壓科學技術研究中心的研究人員已經設計了一種基於碳同素異形體的薄膜分離器. 被稱為石墨二炔 (graphdiyne) , 用作鋰離子的過濾器並防止枝晶生長[Shang等人, Material.10 (2018) 191-199].
鋰金屬電池在概念上與鋰離子電池相似, 但依賴於鋰金屬陽極. 在放電過程中, 鋰金屬陽極通過外部電路向陰極提供電子. 然而, 在充電時, 鋰金屬沉積在陽極上. 正是在這個過程中, 不受歡迎的樹突可以形成.
這就是分離器膜進入的地方. 由超薄(10nm)石墨二炔(一種由丁二炔鏈橋接的二維碳原子六邊形單層)製成的薄膜分離器具有一些顯著的性能. 石墨二炔不僅同時具有彈性和堅固性, 其化學結構還形成均勻的多孔網, 使得每個孔只允許一個鋰離子通過. 這調節離子通過膜的運動, 使得離子的擴散高度均勻. 重要的是, 電池的這種特性有效地抑制了鋰枝晶的生長.
領導這項研究的中國科學院化學研究所的李玉良解釋說: '抑制鋰枝晶可以穩定固體電解質界面, 從而提高器件的壽命和庫侖效率. ' 它可以避免樹枝狀的短路, 從而提高電池的安全性.
研究人員認為, 石墨二炔薄膜可以克服鋰和其他堿金屬電池目前面臨的一些棘手的問題.
'石墨二炔是一種具有超共軛結構, 固有帶隙, 天然大孔結構和半導體性能的理想材料, 這顯示了解決該領域重大科學問題的巨大前景, ' 李說.
二維材料在普通實驗室條件下也很簡單, 易於生產.
'雖然需要更多的努力來提高大規模石墨二炔膜的質量, 但我們認為石墨二炔可能會給鋰電池的安全性帶來一些重大突破, ' 研究人員告訴記者.
