六年前，黃嘉興教授研究發(fā)現(xiàn)了揉皺的石墨烯球——一種新型的超細(xì)顆粒，形狀類(lèi)似于揉皺的紙球。

鋰離子金屬電池有可能顛覆電池行業(yè)。由于理論上鋰離子金屬本身具有的超高容量，這種新型電池可以提供從個(gè)人設(shè)備到汽車(chē)所需的所有功能。

西北大學(xué)的Jiaxing Huang教授解釋說(shuō)：“在目前的電池中，鋰離子通常會(huì)以原子的方式分布在陽(yáng)極的另一種材料中，如石墨或硅。 但是使用其他的材料會(huì)‘稀釋’電池的性能，鋰已經(jīng)是金屬了，為什么不使用鋰本身呢？”

科學(xué)家花費(fèi)數(shù)年時(shí)間來(lái)克服的這項(xiàng)研究挑戰(zhàn)，終于得到答案。 隨著鋰離子在電池中充放電，開(kāi)始出現(xiàn)樹(shù)狀晶體和細(xì)絲，這引起了許多問(wèn)題。黃教授說(shuō)：“最好的話(huà)，只會(huì)導(dǎo)致電池性能急劇下降，最糟糕的是可能會(huì)引發(fā)電池短路甚至起 火。”

目前，一種繞過(guò)鋰離子破壞性樹(shù)狀晶體的解決方案是使用多孔支架，例如，使用由鋰離子材料優(yōu)先沉積的碳材料制成的多孔支架。然后當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子可以沿著腳手架的表面沉積，避免樹(shù)狀晶體生長(zhǎng)。但是，這又引起了一個(gè)新問(wèn)題。 隨著鋰離子的沉積以及電池周期的變化，鋰離子沉積在多孔載體上并隨后發(fā)生溶解，其體積顯著波動(dòng)。這種顯著的體積波動(dòng)導(dǎo)致可能破壞多孔支架的應(yīng)力。

黃教授和他的合作研究人員通過(guò)采用一種不同的方法解決了這個(gè)問(wèn)題，這種方法甚至可以使電池變得更輕，并且能夠儲(chǔ)存更多的鋰離子。

這個(gè)解決辦法是由揉皺的石墨烯球體制成多孔支架，這種支架由于是紙球形狀，因此可以很容易地就可以堆疊起來(lái)形成一個(gè)多孔的支架。它們不僅能阻止樹(shù)突晶體的生長(zhǎng)，還能從鋰離子的劇烈波動(dòng)中存活下來(lái)。這項(xiàng)研究發(fā)表在《Joule》雜志1月刊的封面上。

西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)黃教授說(shuō):“一種能抵抗高強(qiáng)度壓力的通用哲學(xué)就是讓它變得堅(jiān)固，牢不可破。但我們的策略是出于相反的想法。我們不是想方設(shè)法的讓支架變得牢不可破，這種支架是由松散堆疊的粒子組成，因此它們可以輕易地進(jìn)行重新排列?！?/p>

六年前，黃教授研究發(fā)現(xiàn)了形狀褶皺的石墨烯球- 類(lèi)似于皺巴巴的紙球的新型超細(xì)顆粒。他通過(guò)將石墨烯片材的分散體霧化成微小的水滴來(lái)制造顆粒。當(dāng)水滴蒸發(fā)時(shí)，它們產(chǎn)生毛細(xì)作用力，將石墨烯片材弄皺成小型化的紙球。

在黃教授研究小組研發(fā)的電池中，皺縮的石墨烯支架適應(yīng)鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間循環(huán)的波動(dòng)。 當(dāng)鋰離子沉積時(shí)，褶皺的石墨烯球會(huì)分開(kāi)，然后當(dāng)鋰離子耗盡時(shí)容易組裝回去。 由于這種微型紙球形狀的石墨烯球具有導(dǎo)電性，鋰離子可沿其表面快速流動(dòng)，因此支架可為鋰離子電池創(chuàng)造一個(gè)持續(xù)導(dǎo)電，動(dòng)態(tài)，多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

該論文的合著者、天津大學(xué)化學(xué)工程教授Jiayan Luo說(shuō):“這些被排列的很緊的石墨烯球就像一個(gè)高度均勻、連續(xù)的固體。我們還發(fā)現(xiàn)，被揉皺的石墨烯球不會(huì)形成集群，而是均勻分布?！?/p>

羅教授曾在黃教授的指導(dǎo)下，于2013年獲得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位?，F(xiàn)在作為天津大學(xué)的教授和研究員，羅教授繼續(xù)與黃教授合作研究。

與使用石墨作為陽(yáng)極主體材料的電池相比，黃教授研究出的新型電池溶液重量就要輕得多，可以在離子循環(huán)過(guò)程中使得更高的鋰離子負(fù)載趨于穩(wěn)定。 然而，傳統(tǒng)的電池封裝了僅僅幾十微米厚的鋰離子，黃教授研發(fā)的電池容納的鋰離子可以堆疊高達(dá)150微米的厚度。