拥有高能量密度与高工作电压的锂离子电池是各家首选储能配备,智能手机、电动车到大型储能发电厂都会出会它的身影,但乍看无所不能的电池其实有致命缺点,锂金属在过充或多次循环使用后容易生成枝晶,进而刺穿隔离层导致自爆。

为了解决电池短路自爆风险,科家与各大厂商不断寻找解决方案,伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)机械与工业工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示,虽然有机电解液可以提升锂离子电池能量密度,但非均质(heterogeneous)锂金属在多次充放电之后,锂表面容易沉积不均匀并长出枝晶,因此目前尚未成功研发可商业化的有机电解液锂离子电池。

因此 UIC 与得克萨斯州 A&M 大学(TAMU)组成团队,盼能加速找出解决办法,并希望能透过超级计算机来了解枝晶形成过程中化学与物理原理。TAMU 化学工程教授 Perla Balbuena 表示,团队目的是开发可保护锂金属的涂料(coating material),并可藉由涂料减缓锂沉积(deposition)。 dendrites (Source:UIC)

团队研发一种可喷在电池玻璃纤维分离层的氧化石墨烯(graphene oxide)纳米层片 ,这些材料能让锂离子顺利流动,同时也可减缓并控制离子与电子结合变成中性原子的速度。该涂料让原子沉积不会像针(needles)一样不平均,而是在底部形成平坦表面。

研究员利用计算机模型与仿真,并结合物理实验与显微镜成像。结果显示锂离子会在氧化石墨烯层上形成薄膜,再透过材料间隙沉积到氧化石墨烯层底下,材料间隙作用类似于怀旧弹珠台的轨道,可放慢沉积速度与引导方向。

氧化石墨烯也可增加电池循环寿命,与其他电池的 120 次循环寿命相比,该电池可以达到 160 稳定循环。

该氧化石墨烯可藉由便宜实惠的喷涂来达成,但由于涂料很薄,要确定位置是个挑战,Balbuena 表示,实验中也无法从微观层面上确定涂层在哪,该涂料非常薄,所以不太需要精确定位其位置。

他们也透过计算机模型探讨氧化石墨烯喷涂方式,想要了解与电流收集器(current collector)平行还是垂直比较好,最终团队发现两者都有效,但如果想让锂平行沉积,材料需要足够的间隙。Balbuena 表示,计算机仿真结果让团队与合作者知道离子如何透过涂层转移,藉由这些研究,未来可能会朝向不同厚度与材料研究。目前该成果已发表在《Advanced Functional Materials》。

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