左:在锂电极上形成的树突。右:锂电池在锂电极上均匀地使用石墨烯氧化物纳米片分离器。请点击此

锂金属电池——比目前为我们的手机、笔记本电脑和汽车充电的锂离子电池要多出10倍的电量——还没有因为一个致命的缺陷而被商业化:由于这些电池充电和放电，锂电池在电极上不均匀地沉积。这种累积减少了这些电池的寿命，使它们无法存活，更重要的是，它会导致电池短路并着火。

现在,芝加哥伊利诺伊大学的研究人员已经开发出一种解决这个问题的形式石墨烯氧化物涂层“nanosheet”,在两个电极之间的锂金属电池,防止镀层不均并允许锂电池安全功能的充电/放电循环。他们在《高级功能材料》杂志上报道了他们的发现。

“我们的研究结果表明，在这种情况下，二维材料——石墨烯氧化物——可以帮助控制锂离子沉积，从而延长锂电池的寿命。”

与传统电池相比，锂金属电池的能量密度高，重量相对轻。然而，在许多充放电循环过程中，锂在电池的锂金属电极上以一种分支或“树枝状”的模式不均匀地堆积，最终导致电池失效。如果树突在电解质溶液中生长并与其他电极接触，那么电池可能会经历一场灾难性的事件——换句话说，就是爆炸或火灾。

在锂离子电池中，隔膜被放置在电解液中。这种隔膜通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纤维制成，可以让锂离子流过，同时防止其他部件被堵塞，以防止电器短路，从而导致火灾。

Reza和他的同事们在锂金属电池中使用了一种改良过的分离器来调节锂离子的流动，以控制锂离子沉积速率，并观察它们是否能阻止树突的形成。他们在玻璃纤维分离器上喷涂了一种石墨烯氧化物，产生了一种叫做纳米薄片的物质。

通过扫描电子显微镜和其他成像技术，研究人员发现，当纳米薄片被用于锂金属电池时，锂电池的表面形成了一层均匀的锂膜，这实际上改善了电池的功能，使电池充满了活力。

由德克萨斯a & M大学的研究团队领导的分子模拟实验表明，锂离子会暂时粘附到氧化石墨烯上，然后扩散到薄片上的纳米缺陷区域。这延迟了锂离子的通过，足以防止锂在电极上形成的树突沉积。

雷扎说:“纳米薄片减慢了锂离子通道的速度，使得锂离子表面的锂离子镀有更均匀的镀层，这有助于保持电池寿命。”

在UIC工程学院的机械和工业工程教授Farzad Mashayek领导的相场建模计算结果表明，石墨烯氧化物也可以机械地抑制锂枝晶的生长。

Shahbazian-Yassar说:“我们展示了二维石墨烯氧化物材料通过改变锂离子扩散速率，从而阻碍了树突的形成。”“这种方法具有很高的工业应用潜力和可扩展性。”