鋰離子電池已被證明在消費電子領域取得了成功,但電動汽車,風力渦輪機或智能電網需要具有更高能量容量的電池.領先的競爭者是鋰金屬電池,它不同于鋰離子技術,因為它含有鋰金屬電極.


    首先構思于1912年,鋰金屬電池具有以低成本大量儲存能量的潛力,但它們遭受致命缺陷:樹突 - 由鋰原子團簇制成的尖銳針頭,可能導致電池升溫,偶爾會發生短路并著火.


    芝加哥伊利諾伊大學(UIC)機械和工業工程副教授Reza Shahbazian-Yassar說:"鋰金屬電池基本上是理想的電池,因為它們提供了極高的能量密度.但是,由于異質鋰金屬電鍍導致在延長的電池循環下產生枝晶,我們無法構建具有有機液體電解質的商業上可行的鋰金屬電池."


    最近,包括UIC的Shahbazian-Yassar和德克薩斯A＆M大學的Perla Balbuena在內的研究團隊一直在尋找解決方案,這部分是通過應用超級計算機的力量來了解樹枝晶形成過程中的核心化學和物理工作,設計新材料以減輕枝晶生長.


    研究人員在2018年2月撰寫的高級功能材料中,將研究結果提交給一種可以解決長期枝晶問題的新材料.


    "這個想法是開發一種能夠保護鋰金屬并使離子沉積更光滑的涂層材料,"德克薩斯農工大學化學工程教授Balbuena和論文的合著者說.


    調查依賴德克薩斯高級計算中心(TACC)的Stampede和Lonestar超級計算機 - 世界上最強大的計算中心之一.


    在論文中,研究人員描述了一種氧化石墨烯納米片,可將其噴涂到玻璃纖維隔膜上,然后插入電池中.該材料允許鋰離子通過它,但是減速并控制離子如何與來自表面的電子結合成為中性原子.沉積的原子不是形成針,而是在片的底部形成光滑的平坦表面.


    研究人員使用計算機模型和模擬結合物理實驗和顯微成像來揭示材料如何以及為何有效控制鋰沉積.他們表明,鋰離子在石墨烯氧化物表面上形成薄膜,然后通過缺陷位點 - 基本上在材料層中的間隙 - 擴散,然后沉積在氧化石墨烯的底層下面.這種材料的作用就像在彈珠機游戲中的釘子一樣,在金屬球落下時減緩和引導金屬球.


    "我們的貢獻是進行分子動力學模擬,在那里我們按照電子和原子的軌跡及時觀察原子級別的情況,"Balbuena說."我們有興趣闡明鋰離子如何通過系統擴散,并在鋰電鍍沉積結束時變成原子."


    石墨烯氧化物摻雜的電池顯示出提高的循環壽命并且表現出高達160個循環的穩定性,而未修改的電池在120次循環后快速失效.氧化物可以用噴涂槍簡單且經濟地施加.


    研究的另一焦點是如何在納米片上噴涂噴霧.Balbuena說:"當你做實驗時,微觀層面上涂層的位置并不清楚."它非常薄,所以精確定位這些涂層并不重要."


    他們的計算機模型探討了如果氧化物平行或垂直于集電器取向是否會更有利.他們發現,兩種方法都可以有效,但如果平行沉積,材料需要一定數量的缺陷,以便離子可以通過.


    "模擬給我們的合作者關于通過涂層的離子轉移機理的想法,"Balbuena說."根據我們觀察到的現象,未來的某些方向可能會涉及不同的厚度或化學成分."


    探索替代陰極材料


    在2018年2月發表在ChemSusChem上的獨立研究中,Balbuena和研究生Saul Perez Beltran描述了一種電池設計,該電池設計使用石墨烯片改善另一種潛在的高容量存儲系統鋰硫電池的碳硫陰極的性能.


    除了硫的天然豐度,無毒性和低成本外,硫基陰極在理論上能夠提供比常規鋰離子電池中常用的鋰鈷氧化物陰極高10倍的存儲.


    然而,電池中的化學反應導致形成含有硫原子鏈的化合物鋰多硫化物.長鏈多硫化物可溶于液體電解質并遷移至鋰金屬陽極,在那里它們分解,產生不希望的效果.另一方面,短鏈多硫化物不溶并留在硫基陰極.研究人員調查了陰極微觀結構如何影響這種化學反應.


    他們通過制造避免形成可溶性長鏈多硫化物的硫/石墨烯復合材料解決了不受控制的多硫化物形成的問題.他們發現石墨烯片為陰極帶來了穩定性并提高了它的離子捕集能力.


    Balbuena的研究得到了能源部的支持,作為電池材料研究和電池500幼苗項目的一部分,這兩個項目旨在創造更小,更安全,更輕,更便宜的電池組,從而使電動汽車更加實惠.


    Stampede及其后續的Stampede2得到美國國家科學基金會的資助,并允許全國數以萬計的研究人員探索我們無法解決的問題.


    "這些是非常廣泛的計算,這就是為什么我們需要高性能計算機,"Balbuena說."我們是TACC資源的重要用戶,我們非常感謝得克薩斯大學允許我們使用這些設施."


    對于Balbuena而言,超級計算機驅動的下一代電池基礎研究是她的興趣的完美結合.