锂金属电池有可能颠覆电池行业。凭借理论上自身使用的超高容量锂金属，这种新型电池可以为个人设备和汽车提供动力。
“在目前的电池中，锂通常原子分布在阳极中的另一种材料，如石墨或硅，”西北大学的嘉兴黄解释说。“但是使用额外的材料会削弱电池的性能。锂已经是一种金属，为什么不单独使用锂?”
答案是科学家们多年来一直试图克服的研究挑战。随着锂在电池中充电和放电，它开始生长枝晶和细丝，“这会引起许多问题，”Huang说。“充其量，它会导致电池性能迅速下降。最坏的情况是，它会导致电池短路甚至着火。”
绕过锂破坏性枝晶的一种当前解决方案是使用多孔支架，例如由碳材料制成的支架，锂优先沉积在支架上。然后当电池充电时，锂可以沿着支架表面沉积，避免枝晶生长。然而，这引入了一个新问题。随着电池循环，锂沉积在多孔载体上并随后从多孔载体上溶解，其体积显着波动。该体积波动引起的应力可能破坏多孔载体。
黄和他的合作者通过采取不同的方法解决了这个问题 - 甚至使电池重量更轻并且能够容纳更多的锂。
解决方案在于由皱折的石墨烯球制成的支架，由于其纸球形状，其可以容易地堆叠以形成多孔支架。它们不仅可以防止枝晶生长，还可以承受锂的波动量所带来的应力。这项研究发表在1月份Joule杂志的封面上。
西北麦考密克工程学院材料科学与工程学教授黄说：“制造一种能够保持高压力的一般理念是让它变得如此坚固，以至于它不会破碎。” “我们的策略是基于一个相反的想法。我们的脚手架不是试图使其牢不可破，而是由松散堆叠的颗粒制成，可以随时重新安装。”
六年前，黄发现了皱巴巴的石墨烯球 - 一种类似于皱巴巴的纸球的新型超细颗粒。他通过将石墨烯基片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，将薄片揉成小型纸球。
在Huang的团队电池中，皱折的石墨烯支架可以适应锂在阳极和阴极之间循环时的波动。当锂沉积时，皱巴巴的球可以移开，然后在锂耗尽时容易地组装回来。由于微型纸球是导电的并且允许锂离子沿其表面快速流动，因此该支架为锂形成连续导电的动态多孔网络。
“紧密堆积的皱巴巴的石墨烯球的运作方式就像一个高度均匀，连续的固体，”该论文的共同通讯作者，中国天津大学化学工程教授Jiayan Luo说。“我们还发现，皱巴巴的石墨烯球不会形成簇状，而是分布均匀。”
罗先生曾任黄先生，2013年获得材料科学与工程博士学位。现任天津大学教授，研究员，罗继续与黄合作。
与使用石墨作为阳极主体材料的电池相比，Huang的解决方案重量更轻，可以在循环过程中稳定更高的锂负荷。虽然典型的电池封装了几十微米厚的锂电池，但Huang的电池可以保持150微米高的锂电池。