石墨炔結構（左圖）及其在抑制鋰金屬電池中鋰枝晶生長的應用（右圖）

鋰離子電池給移動電子設備帶來了革命性的變革，并正在交通運輸方面取得進展，但是要想進一步改善電池的使用壽命和功率，就需要新技術。其中一種選擇是：鋰金屬電池，它的使用壽命更長，充電速度更快，但這項技術存在問題。鋰沉積物（通常被稱為鋰枝晶）傾向于在陽極上生長，這可能會產生短路，從而導致電池失效、著火或爆炸。

現在，來自中國科學院化學研究所，中國科學院大學，南開大學，汕頭大學和中國高壓科學技術高級研究中心的研究人員設計了一種基于碳同素異形體（名為石墨炔）的隔膜，用作鋰離子的過濾器，并防止枝晶生長。科研人員將這一科研成果發表在了“MaterialsTodayEnergy”雜志上。

鋰金屬電池在概念上類似于鋰離子電池，但依賴于鋰金屬陽極。在放電過程中，鋰金屬陽極通過外部電路向陰極提供電子。然而，在充電時，鋰金屬會沉積在陽極上。正是在這個過程中，不受歡迎的樹突才能形成。

這就是隔膜發揮作用的地方。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。石墨炔不僅同時具有柔韌性和堅固性，其化學結構形成了一個均勻的多孔網格，只允許一個鋰離子通過每個孔。這調節了離子通過薄膜的運動，使得離子的擴散高度均勻。對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。

“抑制鋰枝晶可以穩定固體電解質中間相，從而提高裝置的壽命和庫侖效率，”中國科學院化學研究所的李玉良解釋說。“它可以避免樹枝狀的鋰枝晶引發短路，從而提高電池的安全性。”

研究人員認為，石墨炔薄膜可以克服鋰和其他堿金屬電池長期以來所面臨的例如鋰枝晶等棘手的問題。

“石墨炔是一種完美的材料，具有超級共軛結構，固有帶隙，天然大孔結構和半導體特性，這為解決該領域的重大科學問題提出了巨大的希望。”Li說。

這種二維材料也很簡單，并且在正常的實驗室條件下易于生產。

“盡管需要更多努力來提高大規模石墨炔膜的質量，但我們認為石墨炔可能會在鋰電池的安全性方面帶來一些重大突破。”Li說。