新型石墨烯能大幅强化锂电池性能，灵感竟来自废纸团？

石墨烯与电池的姻缘来自这种超级材料的巨大应用潜力，而实现电池性能的提升，石墨烯无疑是最佳之选。

时至今日，移动设备和电动汽车中的锂离子电池得到了不断完善，然而科学家们又发现它更大的提升空间。尽管理论上锂电池每次充电储能颇多，但其当前的结构确实存在着缺陷，特别是安全方面。不过最近，美国西北大学的工程师们声称，在电池充电时他们能利用石墨烯的褶皱球作为脚手架，从而克服这些缺陷。

西北大学工程系的JiaxingHuang解释说：“在目前的电池中，锂通常是以离子形式分布在阳极材料（如石墨或硅）中的，但是这种方式会‘稀释’电池的性能。锂本身就是金属，为什么我们不能直接用锂作为阳极呢？”

这种方案不可行的原因在于树突，即电池充电时积聚在阳极表面的微观锂纤维。如果树突扩散，就会阻碍电池的性能，最终导致电池短路、起火。为了解决这个问题，研究人员们提出过各种各样不同的方法，如使用不同的电解质，用凯夫拉（Kevlar，一种芳纶纤维材料，材料原名叫"聚对苯二甲酰对苯二胺"）加强电池，开发能阻止树突的形成的三维纳米管蔟丛等等。

西北大学的研究团队实际上是以2011年开发的一种石墨烯球为基础进行研究的，工程师们从废纸团上汲取了灵感，想出了一种将石墨烯薄片皱成球的方法：首先在石墨烯薄片上喷洒极微小的雾化水滴；之后这些水分蒸发时，就会产生毛细作用力，使薄片皱起，变成粗糙的球形。

当时，工程师们注意到这种形式的石墨烯球具有良好的储能潜力，因为石墨烯球不仅保留了与石墨烯片相同的导电性能和表面积，还具有体积更小这一优点。像这样采用石墨烯球结构的话，更大量的石墨烯就可以被封装在相同大小的紧密结构中。

现在，研究人员正在考虑用这种石墨烯球作为新型锂金属电池的阳极多孔支架。多孔支架被认为是这种混合物质实验装置中最重要的一部分，因为当电池充电时，锂会优先沉积在支架表面上，从而避免产生树突。

但是问题总是源源不断。锂在充电时会沉积、覆盖在支架表面，再随着电池放电而再溶解到电解液中，这就导致在充放电循环中，支架结构会如同干湿海绵一般不断膨胀和收缩，从而产生应力，支架逐渐崩坏。

那么他们又是如何解决这个问题的呢？虽然最直观的方法就是研制抗力更强的支架，Huang和他的团队还是采取了不同的方法。

“我们的策略是一种逆向思维，”Huang告诉记者。“我们令石墨烯粒子排列不固定：当从电解液中吸收锂时，它会构成连续的导电材料（锂和石墨烯）；当锂被剥离时，颗粒则可以重新组织排列，形成连续均匀的石墨烯层粒子。”

为测试其性能，该团队将这种能够承受周期性体积波动的新型支架应用到了一个完整的电池上，从而制作出了一款新电池。在这款新电池中，支架可以作为一个连续的均匀网络，容许锂离子流过其表面。研究人员说，这款新电池比一般的锂电池要轻得多，而且传统锂电池只可以封装几十微米厚的锂，而他们的新电池可以容纳足足150微米厚的锂。

研究团队已经申请了这项技术的临时专利，但这项新技术中仍然有很多亟待完善的内容，例如，为什么在皱褶的石墨烯球表层沉积时，锂金属能平稳地覆盖于其表面，而不是形成树突。这需要他们进一步发掘。

正如Huang所说，一项研究的结果往往能衍生出许多相关的基础科学问题，研究者们就应该像这样多加思考，因为自己的观察和发现常常是开展下一步工作的最佳灵感来源。