掃描電子顯微鏡下的瀝青陽(yáng)極，左圖是覆蓋鋰金屬的瀝青和石墨烯納米帶，右圖是沒(méi)有鋰金屬覆蓋的情況。這種新材料由美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)，或許能使高容量鋰金屬電池的充電速率比商用鋰離子電池快10到20倍。
化學(xué)家詹姆斯·托爾（James Tour）的實(shí)驗(yàn)室采用瀝青中多孔的碳制成陽(yáng)極，在超過(guò)500次充電和放電循環(huán)后依然顯示出異乎尋常的穩(wěn)定性。這種電池每平方厘米的電流密度高達(dá)20毫安，表明它在要求高功率密度的快速充電—放電設(shè)備中具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的《ACS Nano》期刊上。
“這些電池的容量很大，但同樣了不起的是，我們可以在5分鐘內(nèi)從0電量充到滿格，而不是像其他電池那樣需要兩小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，”詹姆斯·托爾說(shuō)道。此前，托爾的實(shí)驗(yàn)室采用的是一種瀝青衍生物——未處理的天然瀝青（gilsonite），又稱黑瀝青、硬瀝青——來(lái)捕捉天然氣中的溫室氣體。這一次，研究人員將瀝青與具有導(dǎo)電性的石墨烯納米帶（graphene nanoribbons）混合，通過(guò)電化學(xué)沉積作用將鋰金屬覆蓋在混合物表面。
接下來(lái)，研究人員將瀝青制成的陽(yáng)極與硫化碳陰極組合成完整的電池，進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，這種電池具有高達(dá)每千克1322W的功率密度，和每千克943Wh的能量密度。
測(cè)試結(jié)果還揭示出該電池另一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：碳能夠減緩鋰電池中樹枝狀結(jié)晶的產(chǎn)生。這些結(jié)晶會(huì)侵入電池的電解質(zhì)中，如果延伸太長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致短路，造成電池失效、著火或爆炸。從瀝青中獲得的碳可以有效阻止任何樹枝狀結(jié)晶的形成。
托爾的實(shí)驗(yàn)室在此前的一個(gè)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，用石墨烯和碳納米管制成的陽(yáng)極也能阻止樹枝狀結(jié)晶的形成。對(duì)此托爾表示，新的材料配方更加簡(jiǎn)單。
“雖然前一個(gè)電池和現(xiàn)在新電池的容量差不多，都接近鋰金屬的理論極限，但是新電池中來(lái)自瀝青的碳每單位面積能吸收更多的鋰金屬，并且在制作上更加方便和低價(jià)，”托爾說(shuō)，“新方法沒(méi)有化學(xué)氣相沉積的步驟，沒(méi)有電子束沉積步驟，而且不需要從石墨烯中制取納米管，因此制作過(guò)程大大簡(jiǎn)化?！?
目前，包括特斯拉、高通等許多科技公司也在開發(fā)能快速充電的技術(shù)。隨著人們對(duì)電池的需求越來(lái)越高，快速充電已經(jīng)成為許多人關(guān)注的問(wèn)題。電池性能的提升將大大提高人們工作和生活的效率，想象一下，如果手機(jī)和筆記本能像汽車加油一樣快速充滿電能，那將帶來(lái)怎樣的改變。
