石墨烯氧化物改性样品的锂沉积机理示意图

锂离子电池已被证明在消费电子领域取得了成功，但电动汽车，风力涡轮机或智能电网需要具有更高能量容量的电池。领先的竞争者是锂金属电池，它不同于锂离子技术，因为它含有锂金属电极。

首先构思于1912年，锂金属电池具有以低成本大量储存能量的潜力，但它们遭受致命缺陷：树突 - 由锂原子团簇制成的尖锐针头，可能导致电池升温，偶尔会发生短路并着火。

然而，这项技术的前景让研究人员和公司努力解决这个问题。

芝加哥伊利诺伊大学（UIC）机械和工业工程副教授Reza Shahbazian-Yassar说：“锂金属电池基本上是理想的电池，因为它们提供了极高的能量密度。但是，由于异质锂金属电镀导致在延长的电池循环下产生枝晶，我们无法构建具有有机液体电解质的商业上可行的锂金属电池。”

最近，包括UIC的Shahbazian-Yassar和德克萨斯A＆M大学的Perla Balbuena在内的研究团队一直在寻找解决方案，这部分是通过应用超级计算机的力量来了解树枝晶形成过程中的核心化学和物理工作，设计新材料以减轻枝晶生长。

研究人员在2018年2月撰写的高级功能材料中，将研究结果提交给一种可以解决长期枝晶问题的新材料。

“这个想法是开发一种能够保护锂金属并使离子沉积更光滑的涂层材料，”德克萨斯农工大学化学工程教授Balbuena和论文的合着者说。

调查依赖德克萨斯高级计算中心（TACC）的Stampede和Lonestar超级计算机 - 世界上最强大的计算中心之一。

在论文中，研究人员描述了一种氧化石墨烯纳米片，可将其喷涂到玻璃纤维隔膜上，然后插入电池中。该材料允许锂离子通过它，但是减速并控制离子如何与来自表面的电子结合成为中性原子。沉积的原子不是形成针，而是在片的底部形成光滑的平坦表面。

研究人员使用计算机模型和模拟结合物理实验和显微成像来揭示材料如何以及为何有效控制锂沉积。他们表明，锂离子在石墨烯氧化物表面上形成薄膜，然后通过缺陷位点 - 基本上在材料层中的间隙 - 扩散，然后沉积在氧化石墨烯的底层下面。这种材料的作用就像在弹珠机游戏中的钉子一样，在金属球落下时减缓和引导金属球。

“我们的贡献是进行分子动力学模拟，在那里我们按照电子和原子的轨迹及时观察原子级别的情况，”Balbuena说。“我们有兴趣阐明锂离子如何通过系统扩散，并在锂电镀沉积结束时变成原子。”

石墨烯氧化物掺杂的电池显示出提高的循环寿命并且表现出高达160个循环的稳定性，而未修改的电池在120次循环后快速失效。氧化物可以用喷涂枪简单且经济地施加。

研究的另一焦点是如何在纳米片上喷涂喷雾。Balbuena说：“当你做实验时，微观层面上涂层的位置并不清楚。“它非常薄，所以精确定位这些涂层并不重要。”

他们的计算机模型探讨了如果氧化物平行或垂直于集电器取向是否会更有利。他们发现，两种方法都可以有效，但如果平行沉积，材料需要一定数量的缺陷，以便离子可以通过。

“模拟给我们的合作者关于通过涂层的离子转移机理的想法，”Balbuena说。“根据我们观察到的现象，未来的某些方向可能会涉及不同的厚度或化学成分。”

探索替代阴极材料

在2018年2月发表在ChemSusChem上的独立研究中，Balbuena和研究生Saul Perez Beltran描述了一种电池设计，该电池设计使用石墨烯片改善另一种潜在的高容量存储系统锂硫电池的碳硫阴极的性能。

除了硫的天然丰度，无毒性和低成本外，硫基阴极在理论上能够提供比常规锂离子电池中常用的锂钴氧化物阴极高10倍的存储。

然而，电池中的化学反应导致形成含有硫原子链的化合物锂多硫化物。长链多硫化物可溶于液体电解质并迁移至锂金属阳极，在那里它们分解，产生不希望的效果。另一方面，短链多硫化物不溶并留在硫基阴极。研究人员调查了阴极微观结构如何影响这种化学反应。

他们通过制造避免形成可溶性长链多硫化物的硫/石墨烯复合材料解决了不受控制的多硫化物形成的问题。他们发现石墨烯片为阴极带来了稳定性并提高了它的离子捕集能力。

Balbuena的研究得到了能源部的支持，作为电池材料研究和电池500幼苗项目的一部分，这两个项目旨在创造更小，更安全，更轻，更便宜的电池组，从而使电动汽车更加实惠。

Stampede及其后续的Stampede2得到美国国家科学基金会的资助，并允许全国数以万计的研究人员探索我们无法解决的问题。

“这些是非常广泛的计算，这就是为什么我们需要高性能计算机，”Balbuena说。“我们是TACC资源的重要用户，我们非常感谢得克萨斯大学允许我们使用这些设施。”

对于Balbuena而言，超级计算机驱动的下一代电池基础研究是她的兴趣的完美结合。

“这项研究是化学，物理学和工程学的结合，都是通过计算实现的，这种理论显微镜可以通过理论将事物形象化。”