六年前，黄嘉兴教授研究发现了揉皱的石墨烯球——一种新型的超细颗粒，形状类似于揉皱的纸球。图片来源: 黄嘉兴
锂离子金属电池有可能颠覆电池行业。由于理论上锂离子金属本身具有的超高容量，这种新型电池可以提供从个人设备到汽车所需的所有功能。
西北大学的Jiaxing Huang教授解释说：“在目前的电池中，锂离子通常会以原子的方式分布在阳极的另一种材料中，如石墨或硅。 但是使用其他的材料会‘稀释’电池的性能，锂已经是金属了，为什么不使用锂本身呢？”
科学家花费数年时间来克服的这项研究挑战，终于得到答案。 随着锂离子在电池中充放电，开始出现树状晶体和细丝，这引起了许多问题。黄教授说：“最好的话，只会导致电池性能急剧下降，最糟糕的是可能会引发电池短路甚至起 火。”
目前，一种绕过锂离子破坏性树状晶体的解决方案是使用多孔支架，例如，使用由锂离子材料优先沉积的碳材料制成的多孔支架。然后当电池充电时，锂离子可以沿着脚手架的表面沉积，避免树状晶体生长。但是，这又引起了一个新问题。 随着锂离子的沉积以及电池周期的变化，锂离子沉积在多孔载体上并随后发生溶解，其体积显著波动。这种显著的体积波动导致可能破坏多孔支架的应力。
黄教授和他的合作研究人员通过采用一种不同的方法解决了这个问题，这种方法甚至可以使电池变得更轻，并且能够储存更多的锂离子。
这个解决办法是由揉皱的石墨烯球体制成多孔支架，这种支架由于是纸球形状，因此可以很容易地就可以堆叠起来形成一个多孔的支架。它们不仅能阻止树突晶体的生长，还能从锂离子的剧烈波动中存活下来。这项研究发表在《Joule》杂志1月刊的封面上。
西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程专业黄教授说:“一种能抵抗高强度压力的通用哲学就是让它变得坚固，牢不可破。但我们的策略是出于相反的想法。我们不是想方设法的让支架变得牢不可破，这种支架是由松散堆叠的粒子组成，因此它们可以轻易地进行重新排列。”
六年前，黄教授研究发现了形状褶皱的石墨烯球- 类似于皱巴巴的纸球的新型超细颗粒。他通过将石墨烯片材的分散体雾化成微小的水滴来制造颗粒。当水滴蒸发时，它们产生毛细作用力，将石墨烯片材弄皱成小型化的纸球。
在黄教授研究小组研发的电池中，皱缩的石墨烯支架适应锂离子在阳极和阴极之间循环的波动。 当锂离子沉积时，褶皱的石墨烯球会分开，然后当锂离子耗尽时容易组装回去。 由于这种微型纸球形状的石墨烯球具有导电性，锂离子可沿其表面快速流动，因此支架可为锂离子电池创造一个持续导电，动态，多孔的网络结构。
该论文的合著者、天津大学化学工程教授Jiayan Luo说:“这些被排列的很紧的石墨烯球就像一个高度均匀、连续的固体。我们还发现，被揉皱的石墨烯球不会形成集群，而是均匀分布。”
罗教授曾在黄教授的指导下，于2013年获得材料科学与工程博士学位。现在作为天津大学的教授和研究员，罗教授继续与黄教授合作研究。
与使用石墨作为阳极主体材料的电池相比，黄教授研究出的新型电池溶液重量就要轻得多，可以在离子循环过程中使得更高的锂离子负载趋于稳定。 然而，传统的电池封装了仅仅几十微米厚的锂离子，黄教授研发的电池容纳的锂离子可以堆叠高达150微米的厚度。
