锂金属电池 - 比目前为我们的手机，笔记本电脑和汽车供电的锂离子电池的电量高出10倍 - 由于致命的缺陷而没有商业化：因为这些电池充电和放电，锂不均匀地沉积在电极上。这种堆积会使这些电池的寿命缩短到太短而无法使其可行，更重要的是，这会导致电池短路并着火。
现在，伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员以石墨烯 - 氧化物涂层的“纳米片”的形式开发了一种解决这个问题的方法，当放置在锂金属电池的两个电极之间时，可防止锂的不均匀电镀并允许电池安全地运行数百次充电/放电循环。他们在杂志上报告了他们的发现新型功能材料。
“我们的研究结果表明，二维材料 - 在这种情况下，氧化石墨烯 - 可以帮助调节锂沉积，从而延长锂金属电池的使用寿命，”机械和电子学副教授Reza Shahbazian-Yassar说。 UIC工程学院的工业工程和论文的相应作者。
与传统电池相比，锂金属电池因其高能量密度和相对较轻的重量而非常有用。然而，在许多充电 - 放电循环的过程中，锂以不连续的形式在电池的锂金属电极上以分支或“树枝状”模式累积，并最终导致电池耗尽。如果树枝状晶体通过电解质溶液生长并与另一个电极接触，则电池可能会发生灾难性事件 - 换句话说，爆炸或火灾。
在锂离子电池中，隔板放置在电解质中。通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纤维制成，隔板允许锂离子流过，同时保持其他部件被阻挡以防止电短路，这可能导致火灾。
Reza及其同事在锂金属电池中使用改进的隔膜来调节锂离子的流量，以控制锂沉积的速率，看看它们是否可以防止形成树枝状晶体。他们用氧化石墨烯喷涂玻璃纤维隔板，生产出所谓的纳米片。
利用扫描电子显微镜和其他成像技术，研究人员表明，当纳米片用于锂金属电池时，在锂电极表面形成均匀的锂膜，这实际上改善了电池功能并使电池更安全， Tara Foroozan，UIC工程学院的研究生，也是这项研究的第一作者。
由德克萨斯A&M大学的一组研究人员领导的分子模拟表明，锂离子暂时与氧化石墨烯结合，然后扩散通过片材中的纳米级缺陷区域。这延迟了锂离子的通过，足以防止在电极上形成锂的树枝状沉积。
“纳米片足以减缓锂离子的通过，从而可以更均匀地镀在电极表面的锂离子上，这有助于延长电池寿命，”Reza说。
由UIC工程学院教授兼机械和工业工程系主任Farzad Mashayek和该论文的作者领导的相场模拟计算结果表明，氧化石墨烯也可以机械地抑制锂枝晶的生长。
“我们表明，二维氧化石墨烯材料能够通过改变锂离子在通过氧化石墨烯层时的扩散速率来阻止枝晶的形成，”Shahbazian-Yassar说。“这种方法具有很高的工业应用和可扩展性潜力。