伊利諾伊大學(xué)厄本那―香檳分校的研究人員新近開發(fā)出一款電池，可在幾秒鐘的時間內(nèi)完成充電或放電，在現(xiàn)有手機和筆記本電腦上使用也能夠正常工作。
據(jù)環(huán)境新聞服務(wù)網(wǎng)（ENS）報道，該校材料科學(xué)和工程系教授保羅?布勞恩（Paul Braun）帶領(lǐng)的研究小組將電池負極設(shè)計成3D納米結(jié)構(gòu)，既可保證超快速充電和放電，同時又能兼顧電池的儲能容量。
“我們的這個系統(tǒng)可以提供電池式的電力和電容般的功效。”布勞恩說。
“大多數(shù)電容器只能儲存很少的能量。它們可以快速放電，但儲能容量卻很小。”布勞恩解釋說，“大多數(shù)電池儲存的能量相當(dāng)大，但卻不能快速地提供或接收能量。這（款電池）做到了二者兼顧。”
典型的鋰離子充電電池或鎳氫充電電池在快速充放電時性能會隨之降低。
布勞恩的研究小組發(fā)現(xiàn)，利用薄膜充當(dāng)電池中的活性物質(zhì)可以讓電池快速充電和放電，但與此同時，電池的儲能容量卻幾乎降為零，因為這種活性物質(zhì)無法儲能。不過，如果將薄膜制成三維結(jié)構(gòu)，則既可提高儲能容量，又能提供強大的電流。
這樣的性能有助于研制在幾秒鐘內(nèi)充電的手機，幾分鐘內(nèi)充電的筆記本電腦，以及高功率激光器和心臟除顫器。能夠大量儲能、同時快速放電和充電的電池也是軍事應(yīng)用領(lǐng)域夢寐以求的。
布勞恩認為，這款新電池生來就是為電動汽車開發(fā)的，因為目前電動汽車發(fā)展面臨的局限就是電池的使用壽命短和充電時間長。
該新型3D電池結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵在于將可自我組裝的納米小球與薄膜相結(jié)合。
研究人員首先將納米小球覆蓋在一個基底的表面，并讓小球緊密組合在一起，形成一個格子框架。利用其他方法來建立這種統(tǒng)一的格子框架不僅耗時，也不現(xiàn)實，但這些廉價的小球可以自動排列到位。
然后，研究人員用金屬填充小球周圍的空間。當(dāng)小球被熔化或溶解后，留下一個多孔的3 D金屬支架。利用電拋光工藝蝕刻掉支架的表面，就得到一個無邊框的框架結(jié)構(gòu)。活性物質(zhì)薄膜最后覆蓋于框架之上。
布勞恩解釋說，其結(jié)果是，這種雙連續(xù)電極結(jié)構(gòu)擁有可以互相連接的微小通道，所以鋰離子可以快速移動；活性物質(zhì)薄膜在擴散動力學(xué)方面表現(xiàn)優(yōu)異；而金屬框架具有良好的導(dǎo)電性能。
研究小組同時展示了他們研制的鋰離子電池和鎳金電池。由于3D納米結(jié)構(gòu)是通用的，因此任何可以覆蓋在金屬框架上的電池材料都能用于制造電池。此外，所有工藝流程在工業(yè)上都已經(jīng)被大規(guī)模使用，因此布勞恩認為，該技術(shù)可以投入大規(guī)模生產(chǎn)。
“我們很高興它是普遍適用的，所以如果有人提出更好的電池材料，這個想法也能適用。”布勞恩說，“這無關(guān)于某一種具體的電池，而是一種新的思維模式：設(shè)計三維結(jié)構(gòu)的電池以提高其性能。”
該研究得到了美國陸軍研究實驗室和美國能源部的支持，論文發(fā)表在《自然?納米技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)版上。（陳丹）
