萊斯大學(xué)的科學(xué)家們正在研究使用碳納米管薄膜來(lái)制造高性能、快速充電的鋰金屬電池，以合理地替代普通的鋰離子電池。

萊斯大學(xué)JamesTour實(shí)驗(yàn)室的研究成員揭示了納米管薄膜可有效地阻止電池中無(wú)保護(hù)鋰金屬陽(yáng)極中枝晶的自然生長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移，這些觸須狀的樹(shù)枝可以穿透電池的電解質(zhì)核心并到達(dá)陰極，最終導(dǎo)致電池失效。

這一難題雖阻礙了鋰金屬在商業(yè)市場(chǎng)中的應(yīng)用，但又鼓勵(lì)了世界各地的研究人員來(lái)解決這一問(wèn)題。

鋰金屬的充電速度比幾乎所有電子設(shè)備（包括手機(jī)和電動(dòng)汽車）中的鋰離子電極要快得多，而且其體積所能容納的能量約為鋰離子電極的10倍。

Tour教授說(shuō)：“鋰離子電池中減慢樹(shù)枝晶生長(zhǎng)的方法之一就是限制電池的充電速度。但現(xiàn)實(shí)中人們并不喜歡這樣。他們反而希望充電速度能夠更快些。”

他還繼續(xù)說(shuō)道：“我們的研究團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》雜志上對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案進(jìn)行了詳細(xì)的描述，這種方法既很簡(jiǎn)單，成本又低廉，而且在阻止枝晶生長(zhǎng)方面非常有效。”

Tour教授解釋道：“我們做的所有工作其實(shí)都很簡(jiǎn)單，只需要給一個(gè)金屬鋰箔表面涂上一層多壁碳納米管薄膜即可。納米管薄膜附著在鋰金屬表面上，薄膜會(huì)從黑色變?yōu)榧t色，而如果將薄膜反過(guò)來(lái)時(shí)又可以促使了鋰離子進(jìn)行擴(kuò)散。

科學(xué)家通過(guò)在鋰金屬表面涂覆碳納米管薄膜來(lái)制備高性能電池

萊斯大學(xué)研究人員進(jìn)行500次充放電循環(huán)后，金屬鋰陽(yáng)極的形貌如圖所示，左圖電極有一層碳納米管阻止著枝晶的生長(zhǎng)。右圖是無(wú)保護(hù)的金屬鋰陽(yáng)極中出枝晶生長(zhǎng)的形貌

圖片來(lái)源：Tour研究小組/萊斯大學(xué)

萊斯大學(xué)博士后研究員RodrigoSalvatierra說(shuō)：“與金屬鋰的物理接觸會(huì)對(duì)納米管薄膜產(chǎn)生損耗，但可以通過(guò)增加鋰離子使其保持平衡，而且這些鋰離子分布在納米管膜上。”

當(dāng)使用電池時(shí)，納米管薄膜會(huì)將儲(chǔ)存的離子進(jìn)行放電，而底層的鋰陽(yáng)極則重新充電，從而保持了薄膜阻止枝晶生長(zhǎng)的能力。

在先前的實(shí)驗(yàn)中，我們利用硫化碳陰極，對(duì)電池進(jìn)行了超過(guò)580個(gè)充放電周期的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的納米管薄膜可有效的淬滅了枝晶的生長(zhǎng)。研究人員報(bào)告說(shuō)，完整的鋰金屬電池保留了99.8%的庫(kù)侖效率，而這是衡量電子在電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)好壞的依據(jù)。