用揉皺的石墨烯球來創造出新型電池
六年前，黃嘉興教授研究發現了揉皺的石墨烯球——一種新型的超細顆粒，形狀類似於揉皺的紙球。圖片來源: 黃嘉興
鋰離子金屬電池有可能顛覆電池行業。由於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人設備到汽車所需的所有功能。
西北大學的Jiaxing Huang教授解釋說：「在目前的電池中，鋰離子通常會以原子的方式分布在陽極的另一種材料中，如石墨或硅。 但是使用其他的材料會『稀釋』電池的性能，鋰已經是金屬了，為什麼不使用鋰本身呢？」
科學家花費數年時間來克服的這項研究挑戰，終於得到答案。 隨著鋰離子在電池中充放電，開始出現樹狀晶體和細絲，這引起了許多問題。黃教授說：「最好的話，只會導致電池性能急劇下降，最糟糕的是可能會引發電池短路甚至起 火。」
目前，一種繞過鋰離子破壞性樹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先沉積的碳材料製成的多孔支架。然後當電池充電時，鋰離子可以沿著腳手架的表面沉積，避免樹狀晶體生長。但是，這又引起了一個新問題。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並隨後發生溶解，其體積顯著波動。這種顯著的體積波動導致可能破壞多孔支架的應力。
黃教授和他的合作研究人員通過採用一種不同的方法解決了這個問題，這種方法甚至可以使電池變得更輕，並且能夠儲存更多的鋰離子。
這個解決辦法是由揉皺的石墨烯球體製成多孔支架，這種支架由於是紙球形狀，因此可以很容易地就可以堆疊起來形成一個多孔的支架。它們不僅能阻止樹突晶體的生長，還能從鋰離子的劇烈波動中存活下來。這項研究發表在《Joule》雜誌1月刊的封面上。
西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程專業黃教授說:「一種能抵抗高強度壓力的通用哲學就是讓它變得堅固，牢不可破。但我們的策略是出於相反的想法。我們不是想方設法的讓支架變得牢不可破，這種支架是由鬆散堆疊的粒子組成，因此它們可以輕易地進行重新排列。」
六年前，黃教授研究發現了形狀褶皺的石墨烯球- 類似於皺巴巴的紙球的新型超細顆粒。他通過將石墨烯片材的分散體霧化成微小的水滴來製造顆粒。當水滴蒸發時，它們產生毛細作用力，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的電池中，皺縮的石墨烯支架適應鋰離子在陽極和陰極之間循環的波動。 當鋰離子沉積時，褶皺的石墨烯球會分開，然後當鋰離子耗盡時容易組裝回去。 由於這種微型紙球形狀的石墨烯球具有導電性，鋰離子可沿其表面快速流動，因此支架可為鋰離子電池創造一個持續導電，動態，多孔的網路結構。
該論文的合著者、天津大學化學工程教授Jiayan Luo說:「這些被排列的很緊的石墨烯球就像一個高度均勻、連續的固體。我們還發現，被揉皺的石墨烯球不會形成集群，而是均勻分布。」
羅教授曾在黃教授的指導下，於2013年獲得材料科學與工程博士學位。現在作為天津大學的教授和研究員，羅教授繼續與黃教授合作研究。
與使用石墨作為陽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，可以在離子循環過程中使得更高的鋰離子負載趨於穩定。 然而，傳統的電池封裝了僅僅幾十微米厚的鋰離子，黃教授研發的電池容納的鋰離子可以堆疊高達150微米的厚度。
原文題目為Using crumpled graphene balls to make better batteries ，原文來自techxplore.由材料科技在線團隊翻譯整理
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