利用氧化石墨烯減緩鋰晶枝生成，讓有機鋰離子電池向商業化邁步

作者 EnergyTrend | 發布日期 2018 年 04 月 07 日

（首圖來源：Pixabay）

擁有高能量密度與高工作電壓的鋰離子電池是各家首選儲能配備，智慧型手機、電動車到大型儲能發電廠都會出會它的身影，但乍看無所不能的電池其實有致命缺點，鋰金屬在過充或多次循環使用後容易生成枝晶，進而刺穿隔離層導致自爆。

為了解決電池短路自爆風險，科家與各大廠商不斷尋找解決方案，伊利諾伊大學芝加哥分校（UIC）機械與工業工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示，雖然有機電解液可以提升鋰離子電池能量密度，但非均質（heterogeneous）鋰金屬在多次充放電之後，鋰表面容易沉積不均勻並長出枝晶，因此目前尚未成功研發可商業化的有機電解液鋰離子電池。

因此 UIC 與德克薩斯州 A&M 大學（TAMU）組成團隊，盼能加速找出解決辦法，並希望能透過超級電腦來了解枝晶形成過程中化學與物理原理。TAMU 化學工程教授 Perla Balbuena 表示，團隊目的是開發可保護鋰金屬的塗料（coating material），並可藉由塗料減緩鋰沉積（deposition）。

                                                 （Source：UIC）

團隊研發一種可噴在電池玻璃纖維分離層的氧化石墨烯（graphene oxide）奈米層片 ，這些材料能讓鋰離子順利流動，同時也可減緩並控制離子與電子結合變成中性原子的速度。該塗料讓原子沉積不會像針（needles）一樣不平均，而是在底部形成平坦表面。

研究員利用電腦模型與模擬，並結合物理實驗與顯微鏡成像。結果顯示鋰離子會在氧化石墨烯層上形成薄膜，再透過材料間隙沉積到氧化石墨烯層底下，材料間隙作用類似於懷舊彈珠台的軌道，可放慢沉積速度與引導方向。

氧化石墨烯也可增加電池循環壽命，與其他電池的 120 次循環壽命相比，該電池可以達到 160 穩定循環。

該氧化石墨烯可藉由便宜實惠的噴塗來達成，但由於塗料很薄，要確定位置是個挑戰，Balbuena 表示，實驗中也無法從微觀層面上確定塗層在哪，該塗料非常薄，所以不太需要精確定位其位置。

他們也透過電腦模型探討氧化石墨烯噴塗方式，想要了解與電流收集器（current collector）平行還是垂直比較好，最終團隊發現兩者都有效，但如果想讓鋰平行沉積，材料需要足夠的間隙。Balbuena 表示，電腦模擬結果讓團隊與合作者知道離子如何透過塗層轉移，藉由這些研究，未來可能會朝向不同厚度與材料研究。目前該成果已發表在《Advanced Functional Materials》。

（本文由 EnergyTrend 授權轉載；首圖來源：Pixabay）