前沿科技之納米碳管大容量鋰電池

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麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員取得了一項(xiàng)新的研究成果有望使得電池容量大大增加。他們發(fā)現(xiàn)采用納米碳管作為電池一端電極可獲得十倍于現(xiàn)有的鋰電池的容量。這種新電極將可能用在小型便攜式設(shè)備中，而且進(jìn)一步的研究將使得這種大容量電池得以應(yīng)用于實(shí)際。
為了使得新電極材料產(chǎn)生能改善性能，研究小組人員采用了一種層疊的制造工藝，這樣基質(zhì)被浸泡在含有納米碳管溶液中，納米碳管由有機(jī)化合物處理過(guò)帶有正或者負(fù)電荷，由于電荷的作用基質(zhì)的表面就能沉積一層穩(wěn)定的耐久的薄膜。
這項(xiàng)研究是由MIT機(jī)械工程和材料科學(xué)工程的副教授Yang Shao-Horn領(lǐng)導(dǎo)，該項(xiàng)成果在近期的Nature Nanotechnology發(fā)表，作者還包括化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生Seung Woo Lee和博士后Naoaki Yabuuchi等。
3 X: e4 B' n% z$ |1 z( S鋰電池廣泛地被應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)、和可移動(dòng)的導(dǎo)電離子構(gòu)成。當(dāng)電池在使用時(shí)，正電荷的鋰離子經(jīng)由電解質(zhì)向陰極移動(dòng)產(chǎn)生電流，而充電時(shí)外部電流使得鋰離子朝反方向運(yùn)動(dòng)在陽(yáng)極的多孔材料的空間中存儲(chǔ)。
+ f% n7 M( r6 E. j9 C3 `納米碳管由純碳構(gòu)成，碳原子形成的薄片被卷成細(xì)小的管子。在新電池的電極中，納米碳管自組織形成納米尺度下的多孔結(jié)構(gòu)。納米碳管的表面有許多氧化物，這樣就可以存儲(chǔ)許多的鋰離子，使得電池容量大大增加。這也是第一次在陽(yáng)極使用納米碳管，而不是僅僅在陰極使用。
研究者Hammond表示，這種納米碳管的靜電自組織過(guò)程非常重要，因?yàn)槠胀�納米碳管會(huì)傾向于結(jié)合成一塊形成一捆，使得反應(yīng)表面減少。通過(guò)有機(jī)分子的作用則可以形成大量的納米碳管并使得它們形成一種高度多孔性的材料。
6 Q/ H' u, x/ [: }1 K采用這種新電極可使得傳統(tǒng)電容器的能量輸出提高至原有水平的5倍，而采用該電極的電池容量可達(dá)到常規(guī)鋰電池的10倍。這樣的高性能歸功于電極中離子和電子的有效傳導(dǎo)和納米碳管表面的鋰離子的儲(chǔ)存。除此之外，新納米碳管電極顯示了很好的穩(wěn)定性，1000次的反復(fù)充放電實(shí)驗(yàn)中，電池材料的性能幾乎沒有發(fā)生變化。
該電極的厚度僅僅幾個(gè)微米，在高能量輸出水平具有較好的性能。在未來(lái)，該小組計(jì)劃制造更厚的電極以提升在低能量輸出水平的性能。該電極產(chǎn)品將有望在小型便攜式電子設(shè)備中廣泛使用，在未來(lái)如果在電極厚度較大時(shí)高能量輸出水平也具有較好的性能，那么該電極將極有可能在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用。由于制造該電極時(shí)需要交替在兩種溶液中浸泡，這使得該過(guò)程耗時(shí)，研究人員也正在開展相關(guān)制造工藝研究，使得制造更加快捷簡(jiǎn)單，使其大量生產(chǎn)成為可能。