石墨炔結(jié)構(gòu)（左圖）及其在抑制鋰金屬電池中鋰枝晶生長(zhǎng)的應(yīng)用（右圖）

鋰離子電池給移動(dòng)電子設(shè)備帶來(lái)了革命性的變革，并正在交通運(yùn)輸方面取得進(jìn)展，但是要想進(jìn)一步改善電池的使用壽命和功率，就需要新技術(shù)。其中一種選擇是：鋰金屬電池，它的使用壽命更長(zhǎng)，充電速度更快，但這項(xiàng)技術(shù)存在問(wèn)題。鋰沉積物（通常被稱為鋰枝晶）傾向于在陽(yáng)極上生長(zhǎng)，這可能會(huì)產(chǎn)生短路，從而導(dǎo)致電池失效、著火或爆炸。

現(xiàn)在，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，南開(kāi)大學(xué)，汕頭大學(xué)和中國(guó)高壓科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究中心的研究人員設(shè)計(jì)了一種基于碳同素異形體（名為石墨炔）的隔膜，用作鋰離子的過(guò)濾器，并防止枝晶生長(zhǎng)。科研人員將這一科研成果發(fā)表在了“MaterialsTodayEnergy”雜志上。

鋰金屬電池在概念上類似于鋰離子電池，但依賴于鋰金屬陽(yáng)極。在放電過(guò)程中，鋰金屬陽(yáng)極通過(guò)外部電路向陰極提供電子。然而，在充電時(shí)，鋰金屬會(huì)沉積在陽(yáng)極上。正是在這個(gè)過(guò)程中，不受歡迎的樹(shù)突才能形成。

這就是隔膜發(fā)揮作用的地方。薄的隔膜由超薄（10nm）的石墨制炔成，（石墨炔是由丁二烯鍵連接的二維單層碳原子六角形），具有一些顯著的特性。石墨炔不僅同時(shí)具有柔韌性和堅(jiān)固性，其化學(xué)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)均勻的多孔網(wǎng)格，只允許一個(gè)鋰離子通過(guò)每個(gè)孔。這調(diào)節(jié)了離子通過(guò)薄膜的運(yùn)動(dòng)，使得離子的擴(kuò)散高度均勻。對(duì)于電池而言重要的是，該膜的這種特征有效地抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。

“抑制鋰枝晶可以穩(wěn)定固體電解質(zhì)中間相，從而提高裝置的壽命和庫(kù)侖效率，”中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的李玉良解釋說(shuō)。“它可以避免樹(shù)枝狀的鋰枝晶引發(fā)短路，從而提高電池的安全性。”

研究人員認(rèn)為，石墨炔薄膜可以克服鋰和其他堿金屬電池長(zhǎng)期以來(lái)所面臨的例如鋰枝晶等棘手的問(wèn)題。

“石墨炔是一種完美的材料，具有超級(jí)共軛結(jié)構(gòu)，固有帶隙，天然大孔結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體特性，這為解決該領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題提出了巨大的希望。”Li說(shuō)。

這種二維材料也很簡(jiǎn)單，并且在正常的實(shí)驗(yàn)室條件下易于生產(chǎn)。

“盡管需要更多努力來(lái)提高大規(guī)模石墨炔膜的質(zhì)量，但我們認(rèn)為石墨炔可能會(huì)在鋰電池的安全性方面帶來(lái)一些重大突破。”Li說(shuō)。