石墨烯+碳納米管 萊斯大學(xué)研發(fā)新陽極攻克樹突難題

據(jù)外媒報(bào)道，美國萊斯大學(xué)（RiceUniversity）解決了電池樹突（dendrite）難題，該研究難題長期困擾著電池研究人員，該大學(xué)研發(fā)的鋰金屬電池的電容量是商用鋰離子電池的三倍。

萊斯大學(xué)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將鋰保存在一種獨(dú)特的陽極中，該陽極采用了新工藝，由石墨烯（graphene）與碳納米管（carbonnanotubes）混合制成。該材料首創(chuàng)于2012年，其本質(zhì)是一款3D碳表面，可為鋰提供足夠的存儲(chǔ)空間。理論上，該陽極本身已達(dá)到鋰金屬的最大存儲(chǔ)空間，可防止樹突等有害積聚物的形成。

據(jù)研究人員透露，樹突等鋰離子積聚物將滲入電池的電解質(zhì)。若樹突造成陽極與陰極接觸，將導(dǎo)致短路，電池降可能因此而報(bào)廢。更有甚者，該電池將因此而起火或爆炸。

萊斯大學(xué)的化學(xué)家JamesTour負(fù)責(zé)主導(dǎo)該研究項(xiàng)目，據(jù)他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新電池充電后，鋰金屬表面將覆有一層均勻的碳混合物（highlyconductivecarbonhybrid），該物質(zhì)導(dǎo)電性強(qiáng)，碳納米管與石墨烯表面緊密粘合。據(jù)美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米技術(shù)（ACSNano）》報(bào)道，出于安全性及電量考慮，該類混合物已替代了商用鋰電池中的石墨陽極。

Tour表示，新款陽極的碳納米管簇（nanotubeforest）密度低，表面積大，有足夠的空間來安置電池充放電時(shí)游動(dòng)的鋰離子顆粒。鋰金屬分布均勻，電解質(zhì)內(nèi)帶電鋰離子將擴(kuò)散開來，抑制樹突的增生。

他表示，盡管電池樣品的電量因陰極而受限，其陽極材料的鋰離子儲(chǔ)能已達(dá)到3351毫安/克，已接近其最大理論值，是鋰離子電池的鋰離子儲(chǔ)能的10倍。由于碳納米管毯絨（nanotubecarpet）密度低，其鋰離子涂層將分布在基材上，確保空間利用率最大。

為測試該陽極，萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用硫基陰極及電解質(zhì)，打造了全套電池。據(jù)稱，該硫基陰極在充放電500多次后，其容量保持率高達(dá)80%左右。該團(tuán)隊(duì)采用了電子顯微鏡觀察了陽極的影像，該電極經(jīng)多次測試后，其表面并無樹突或毯絨結(jié)構(gòu)，陽極表面依然平滑。用裸眼觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池近四分之一的位置出現(xiàn)顏色發(fā)暗的情況，該處的鋰金屬已耗盡，被銀所占據(jù)。

Tour表示：“許多人做電池研究，僅僅專注于陽極，因?yàn)獒槍?duì)整個(gè)電池的研究難度更大。我們?yōu)榇搜邪l(fā)了一項(xiàng)配套的硫基陰極技術(shù)，與第一代超高容量的鋰金屬陽極相配套。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在重新生產(chǎn)這類電池、陰極及陽極，用于中試試驗(yàn)（pilotscale），上述材料正在測試中。”