德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M）的一支研究團(tuán)隊(duì)，想到了將碳納米管摻入鋰金屬電池的電極中，以實(shí)現(xiàn)更高、更安全的充電。該校工程學(xué)院的科學(xué)家們，將研究重點(diǎn)放在了電池架構(gòu)的改良上。據(jù)悉，傳統(tǒng)鋰電池中的鋰離子會(huì)在充放電過程中于兩極之間來回移動(dòng)，其中陽極材料通常由石墨和銅的混合物制成。

新型電極（來自：Texas A&M/ Juran Noh）

這項(xiàng)研究是在德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的工程學(xué)院進(jìn)行的，研究的重點(diǎn)是具有巨大潛力的電池架構(gòu)。當(dāng)傳統(tǒng)的鋰離子電池充電和放電時(shí)，鋰離子在陰極和陽極之間來回移動(dòng)，后者通常由石墨和銅的混合物制成。

不過研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用純鋰金屬，可能是一種更好的選擇。其不僅提供了很高的能量密度（容量達(dá)到普通鋰離子電池的十倍），還可讓充電過程更快、更安全。

其實(shí)在去年的一項(xiàng)研究中，鋰金屬陽極已被描述為‘打破當(dāng)前鋰離子化學(xué)反應(yīng)的能量密度瓶頸’的一個(gè)關(guān)鍵。但橫亙?cè)谘芯咳藛T面前的，依然有枝晶（dendrites）這個(gè)障礙。

由于鋰離子分布不均勻，這些樹狀結(jié)構(gòu)會(huì)堆積在陽極表面。隨著枝晶的生長，它們可能刺破電芯，導(dǎo)致電池快速失去能量、甚至短路起火

好消息是，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)找到了超輕且高導(dǎo)電性的碳納米管解決方案。其設(shè)計(jì)與2018 年的另一項(xiàng)研究相仿，即采用碳納米管薄膜來抑制枝晶的生長。

研究配圖（來自：Nano Letters）

在鋰金屬電池的陽極上，研究團(tuán)隊(duì)使用碳納米管構(gòu)建了三維多孔支架，并在上面綁有可與鋰離子結(jié)合的分子。

通過一系列實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)分子結(jié)合的濃度，研究團(tuán)隊(duì)最終敲定了可避免枝晶在其表面上堆積的新型電池陽極。

研究作者 Juran Noh 表示：在擁有適量結(jié)合分子的情況下，我們可在某些位置將碳納米管支架‘解壓縮’，使得鋰離子穿過并結(jié)合于支架的整個(gè)表面，而不是在外部堆積。

得益于這種均勻且安全的分布，鋰金屬電池可承載更大、更安全的電流（陽極載流為傳統(tǒng)鋰電池的五倍），不僅能量密度更高、還可在更短的時(shí)間內(nèi)完成充電。

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。

原標(biāo)題為《Understanding of Lithium Insertion into 3D Porous Carbon Scaffolds with Hybridized Lithiophobic and LithiophilicSurfaces by In-Operando Study》。

來源：cnBeta.COM