美研究人员开发新型电池 充电只需数秒

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         伊利诺伊大学厄本那―香槟分校的研究人员新近开发出一款电池,可在几秒钟的时间内完成充电或放电,在现有手机和笔记本电脑上使用也能够正常工作。

  据环境新闻服务网(ENS)报道,该校材料科学和工程系教授保罗・布劳恩(Paul Braun)带领的研究小组将电池负极设计成3D纳米结构,既可保证超快速充电和放电,同时又能兼顾电池的储能容量。
  “我们的这个系统可以提供电池式的电力和电容般的功效。”布劳恩说。

  “大多数电容器只能储存很少的能量。它们可以快速放电,但储能容量却很小。”布劳恩解释说,“大多数电池储存的能量相当大,但却不能快速地提供或接收能量。这(款电池)做到了二者兼顾。”
  典型的锂离子充电电池或镍氢充电电池在快速充放电时性能会随之降低。

  布劳恩的研究小组发现,利用薄膜充当电池中的活性物质可以让电池快速充电和放电,但与此同时,电池的储能容量却几乎降为零,因为这种活性物质无法储能。不过,如果将薄膜制成三维结构,则既可提高储能容量,又能提供强大的电流。

  这样的性能有助于研制在几秒钟内充电的手机,几分钟内充电的笔记本电脑,以及高功率激光器和心脏除颤器。能够大量储能、同时快速放电和充电的电池也是军事应用领域梦寐以求的。

  布劳恩认为,这款新电池生来就是为电动汽车开发的,因为目前电动汽车发展面临的局限就是电池的使用寿命短和充电时间长。

  该新型3D电池结构的技术关键在于将可自我组装的纳米小球与薄膜相结合。

  研究人员首先将纳米小球覆盖在一个基底的表面,并让小球紧密组合在一起,形成一个格子框架。利用其他方法来建立这种统一的格子框架不仅耗时,也不现实,但这些廉价的小球可以自动排列到位。

  然后,研究人员用金属填充小球周围的空间。当小球被熔化或溶解后,留下一个多孔的3 D金属支架。利用电抛光工艺蚀刻掉支架的表面,就得到一个无边框的框架结构。活性物质薄膜最后覆盖于框架之上。

  布劳恩解释说,其结果是,这种双连续电极结构拥有可以互相连接的微小通道,所以锂离子可以快速移动;活性物质薄膜在扩散动力学方面表现优异;而金属框架具有良好的导电性能。

  研究小组同时展示了他们研制的锂离子电池和镍金电池。由于3D纳米结构是通用的,因此任何可以覆盖在金属框架上的电池材料都能用于制造电池。此外,所有工艺流程在工业上都已经被大规模使用,因此布劳恩认为,该技术可以投入大规模生产。

  “我们很高兴它是普遍适用的,所以如果有人提出更好的电池材料,这个想法也能适用。”布劳恩说,“这无关于某一种具体的电池,而是一种新的思维模式:设计三维结构的电池以提高其性能。”

  该研究得到了美国陆军研究实验室和美国能源部的支持,论文发表在《自然纳米技术》网络版上。
 

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