德克薩斯州農工大學（Texas A&M）的一支研究團隊，想到了將碳納米管摻入鋰金屬電池的電極中，以實現更高、更安全的充電。該校工程學院的科學家們，將研究重點放在了電池架構的改良上。據悉，傳統鋰電池中的鋰離子會在充放電過程中於兩極之間來回移動，其中陽極材料通常由石墨和銅的混合物製成。

新型電極（來自：Texas A&M / Juran Noh）

這項研究是在德克薩斯農工大學的工程學院進行的，研究的重點是具有巨大潛力的電池架構。當傳統的鋰離子電池充電和放電時，鋰離子在陰極和陽極之間來回移動，後者通常由石墨和銅的混合物製成。

不過研究團隊發現，使用純鋰金屬，可能是一種更好的選擇。其不僅提供了很高的能量密度（容量達到普通鋰離子電池的十倍），還可讓充電過程更快、更安全。

其實在去年的一項研究中，鋰金屬陽極已被描述為’打破當前鋰離子化學反應的能量密度瓶頸’的一個關鍵。但橫亙在研究人員面前的，依然有枝晶（dendrites）這個障礙。

由於鋰離子分佈不均勻，這些樹狀結構會堆積在陽極表面。隨著枝晶的生長，它們可能刺破電芯，導致電池快速失去能量、甚至短路起火

好消息是，德克薩斯農工大學的研究團隊，已經找到了超輕且高導電性的碳納米管解決方案。其設計與2018年的另一項研究相仿，即採用碳納米管薄膜來抑制枝晶的生長。

研究配圖（來自：Nano Letters）

在鋰金屬電池的陽極上，研究團隊使用碳納米管構建了三維多孔支架，並在上面綁有可與鋰離子結合的分子。

通過一系列實驗來確認分子結合的濃度，研究團隊最終敲定了可避免枝晶在其表面上堆積的新型電池陽極。

研究作者Juran Noh 表示：在擁有適量結合分子的情況下，我們可在某些位置將碳納米管支架’解壓縮’，使得鋰離子穿過並結合於支架的整個表面，而不是在外部堆積。

得益於這種均勻且安全的分佈，鋰金屬電池可承載更大、更安全的電流（陽極載流為傳統鋰電池的五倍），不僅能量密度更高、還可在更短的時間內完成充電。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《納米快報》（Nano Letters）上。

原標題為《Understanding of Lithium Insertion into 3D Porous Carbon Scaffolds with Hybridized Lithiophobic and Lithiophilic Surface s by In-Operando Study》。