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近日消息，萊斯大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一種基于石墨烯和碳納米管混合物的可充電鋰電池，其容量是目前商業(yè)鋰離子電池容量的三倍。這主要?dú)w功于他們解決了長(zhǎng)久以來(lái)困擾鋰電池的性能提升的“鋰枝晶”問(wèn)題。

圖片所示：金屬鋰被涂覆在石墨烯/碳納米管混合材料上作為電池負(fù)極， 鋰金屬涂覆負(fù)極的三維結(jié)構(gòu)，避免形成枝晶

 該電池將鋰儲(chǔ)存在獨(dú)特的陽(yáng)極中，即石墨烯和碳納米管的無(wú)縫混合物中。最初在2012萊斯中創(chuàng)建的材料本質(zhì)上是為鋰存在提供了豐富的面積的一個(gè)三維的碳表面。

      陽(yáng)極本身接近鋰金屬的理論最大值，同時(shí)抵抗破壞性樹(shù)突或“苔蘚”沉積物的形成。

      樹(shù)枝晶試圖用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，充電速度更快的先進(jìn)鋰金屬電池代替鋰離子。 樹(shù)枝晶是生長(zhǎng)在電池電解液中的鋰沉積物。 如果橋接陽(yáng)極和陰極并產(chǎn)生短路，電池可能會(huì)失效，起火甚至爆炸。

      由化學(xué)家詹姆斯?羅伯茨領(lǐng)導(dǎo)的萊斯研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新電池充電時(shí)，鋰金屬均勻地包覆了碳納米管以共價(jià)連接到石墨烯表面的高導(dǎo)電碳雜化材料。

 圖片所示：電子顯微鏡圖像顯示均勻涂覆有金屬鋰的碳納米管。在萊斯大學(xué)創(chuàng)建的石墨烯 - 碳納米管負(fù)極的測(cè)試表明，它可以抵抗鋰樹(shù)枝狀晶體的形成，延長(zhǎng)電池壽命。

 如美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志ACS Nano所報(bào)道，該混合物代替了用于交換安全能力的普通鋰離子電池中的石墨陽(yáng)極。

      電子顯微鏡圖像顯示均勻涂覆有金屬鋰的碳納米管。 在萊斯大學(xué)創(chuàng)建的石墨烯 - 碳納米管陽(yáng)極的測(cè)試表明，它抵抗可破壞電池的鋰樹(shù)枝狀晶體的形成。

      Tour說(shuō)，“毫無(wú)疑問(wèn)，鋰離子電池改變了世界，但是它們的發(fā)展將遭遇瓶頸，手機(jī)電池在新技術(shù)產(chǎn)生前不會(huì)續(xù)航太久。”

他表示在具有低密度，高表面積的新型陽(yáng)極納米管森林放電時(shí)，它本身具有充足的空間供鋰顆粒進(jìn)出。均勻分布的鋰通過(guò)電解質(zhì)中的離子來(lái)擴(kuò)散電流并且抑制樹(shù)突的生長(zhǎng)。

      Tour 表示，盡管原型電池的容量受到陰極的限制，但是陽(yáng)極材料的鋰儲(chǔ)存容量為3351毫安小時(shí)/克，接近理論值的最大值和鋰離子電池的10倍。 且由于納米管的低密度，鋰直接涂覆到基材上的能力，確保了最大限度地利用可用的體積。

      在2014年，當(dāng)旅游實(shí)驗(yàn)室前研究生，現(xiàn)劍橋大學(xué)的博士后研究員的共同主編Abdul-Rahman Raji，開(kāi)始嘗試鋰金屬和石墨烯納米管混合物的時(shí)，他們有他們的“哈哈！”時(shí)刻。

      “我推測(cè)鋰金屬必須鍍?cè)陔姌O上，同時(shí)分析在完整電池中與鋰鈷氧化物陰極組合的陽(yáng)極材料中存儲(chǔ)鋰離子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”Raji說(shuō)。 “我們很興奮，因?yàn)檎麄€(gè)電池的電壓非常平坦，在那一刻，我們知道我們發(fā)現(xiàn)了一些特別的東西。

 圖形顯示共價(jià)鍵合到石墨烯基底上的碳納米管。 萊斯大學(xué)創(chuàng)造的材料正在作為大容量鋰金屬電池的陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)試。 

      在一個(gè)星期內(nèi)，Raji和身為一名萊斯博士后研究員的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)作家羅德里戈?維勒加斯?薩爾瓦特拉（Rice Raphaelas Salvatierra），將鋰金屬沉積在一個(gè)獨(dú)立的混合陽(yáng)極中，以便他們可以用顯微鏡更近距離的觀察。 “我們驚呆了，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有樹(shù)突生長(zhǎng)，其余同往常一樣，”拉吉說(shuō)。

      為了測(cè)試陽(yáng)極，萊斯實(shí)驗(yàn)室建立了硫基陰極在超過(guò)500次充電 - 放電循環(huán)后仍保持80％容量的完整電池，對(duì)于正常的手機(jī)用戶(hù)來(lái)說(shuō)可以使用兩年的時(shí)間。測(cè)試后陽(yáng)極的電子顯微鏡圖像顯示沒(méi)有在扁平陽(yáng)極上觀察到的枝晶或苔蘚樣結(jié)構(gòu)的跡象。研究人員報(bào)告說(shuō)，肉眼看，四分之一電池中的陽(yáng)極是空的，當(dāng)鋰金屬和白銀充滿(mǎn)時(shí)，這些陽(yáng)極是黑色的。

      Tour說(shuō)“許多人做電池研究只做陽(yáng)極，因?yàn)樽稣麄€(gè)包裝要困難得多，因此我們必須開(kāi)發(fā)一種基于硫磺的相對(duì)的陰極技術(shù)，以適應(yīng)第一代系統(tǒng)中的這些超高容量鋰陽(yáng)極。我們正在中試規(guī)模生產(chǎn)這些陰極加陽(yáng)極的完整電池，并對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試。”

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