石墨烯氧化物改性样品的锂沉积机制原理图(A-F)，锂离子吸附在亲锂的GOn涂层上，并通过控制锂离子在金属表面的输送来得到更加均匀的锂沉积层

随着可再生能源在全球成长为一种能量来源，一个关键的问题却依然没有被解决：大规模，稳定，高效且经济实惠的电池依然没有出现。

锂离子电池已经在消费电子产品上取得了成功，但电动汽车、风力涡轮机或智能电网都需要拥有更大能量的电池。处于发展领先地位的是锂金属电池，与锂离子基数不同的是，它的电极是锂金属电极。

锂金属电池在1912年第一次出现，它拥有巨大的能量存储空间却很便宜，但是它却存在致命的缺点：锂枝晶-这是锂原子组成的尖锐的针状物，它可以刺破电池并导致电池短路甚至事故。

然而，技术的进步支持研究者们和公司持续努力去解决这个问题。

来自芝加哥伊利诺伊大学的机械和工业工程副教授Reza Shahbazian-Yassar(UIC)说：“锂金属电池是最理想的电池，因为它们提供了极高的能量密度”

“然而。由于异构锂金属电镀会导致电池在循环后期产生锂枝晶，所以我们还没有生产出有机电解液的商业化锂金属电池”

最近，包括UIC的Shahbazian-Yassar和德克萨斯A＆M大学的Perla Balbuena在内的研究团队一直在寻找解决方案，他们希望通过应用超级计算机的力量来了解树枝晶形成过程中的核心化学和物理过程，从而去设计新的材料来减轻锂枝晶的生长。

研究成果发表在2018年二月刊《先进功能材料》，研究者表示他们通过眼界提出了一种可以长期解决锂枝晶问题的新材料。

德克萨斯A&M大学的化学工程教授、论文的作者之一Texas说：“我们的想法是开发出一种可以保护锂金属并且可以使得锂离子沉积的更加均匀的涂层材料”

这些研究结果由德克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampede和Lonestar超级计算机(世界上最强大的计算中心)提供技术支持。

离子弹球盘

在这篇论文中，研究人员描述了一种可以喷涂在玻璃纤维分离器上的石墨烯氧化物纳米板，随后他们被插在电池中。这种材料允许锂离子通过，但是可以减缓并控制离子和来自表面电子结合成中性原子的速度。沉积的原子不是形成锂枝晶而是在薄片的底部形成光滑的平面。

研究人员使用计算机模型和模拟结合物理实验和显微成像来揭示材料如何以及为何有效控制锂沉积。他们表明，锂离子在石墨烯氧化物的表面上形成薄膜，然后通过缺陷位点(本质上是材料层的间隙)扩散，然后沉积在氧化石墨烯的底层下面。这种材料的作用类似于弹珠游戏中的挂钩，在下落时减速并矫正金属球方向。

Balbuena解释说：“我们的贡献是利用分子动力学模拟按照电子和原子的轨迹实时观察原子级别的情况。我们感兴趣的是阐明在沉积最后阶段锂离子是如何在系统中扩散并成为原子的原理”

研究人员使用TACC超级计算机来模拟用于锂金属电池的新材料的行为。图中：(a)低锂含量的硫化物/石墨烯混合物，(b)锂-硫相互作用的近距离观察，(c)低锂含量下锂硫的电荷分布。图片来源：Saul Perez Beltran, Perla B. Balbuena

石墨烯-氧化物电池显示了更强的循环寿命，显示稳定性达到160个周期，而未经修饰的电池在120次循环后很快就失去了效率。这种氧化物可以通过喷枪简单实惠的制得。

研究的另一关键问题是如何在纳米片上喷涂喷雾。Balbuena说：“当你做实验的时候，微观层面上涂层的位置并不清楚。因为它非常薄，所以精确定位这些涂层很重要。”

他们的计算机模型探讨了氧化物平行或垂直于集流体那种情况更加有利。他们发现两种方法都可以有效，但如果平行沉积，材料需要一定数量的缺陷，以便离子可以通过。

Balbuena说：“模拟给了我们的合作者研究通过涂层的离子转移机理的想法，根据我们观察到的现象，未来可能研究不同涂层厚度和化学成分将带来的影响。”

探索阴极替代材料

在2018年2月发表在《能源与材料》上的独立研究中，Balbuena和研究生Saul Perez Beltran描述了一种设计使用石墨烯片改善另一种潜在的高容量存储系统锂硫电池的碳硫阴极的性能的电池设计。

除了硫的天然存储量大，无毒性和低成本外，硫基阴极在理论上能够提供比常规锂离子电池中常用的锂钴氧化物阴极高10倍的存储。

然而，电池中的化学反应导致形成含有硫原子链的化合物锂多硫化物。长链多硫化物可溶于液体电解质并迁移到锂金属阳极并发生分解，这是不希望产生的结果。研究人员研究了阴极微观结构如何影响这种化学反应。

他们通过制造一种含硫/石墨烯的复合材料来解决不受控制的多硫化物形成的问题，避免了可溶解的长链聚硫醚的形成。他们发现石墨烯片使得阴极更加稳定并提高其离子捕获能力。

Balbuena的研究得到了美国能源部的支持，作为电池材料研究和电池500个孵化项目的一部分，这两个项目目的是创造更小，更安全，更轻，更便宜的电池组，使电动汽车更加实惠。

Stampede项目及其后续的Stampede2得到美国国家科学基金会的资助，并让成千上万的来自全国各地的研究人员去探索那些我们无法解决的问题。

Balbuena说：“这是一项计算量十分宏大的项目，所以我们需要拥有高性能的计算机来实行。我们是TACC资源的重要用户，我们非常感谢德克萨斯大学允许我们使用这些设施。”

对Balbuena来说：超级计算机推动下一代电池发展的基础研究与她的研究兴趣完美锲合。

“这项研究是化学，物理学和工程学的结合，所有这些都是通过计算实现的，这种理论显微镜可以通过理论将事物形象化”