納米技術(shù)如何激發(fā)下一代電池的靈感

可充電電池是許多現(xiàn)代技術(shù)的重要組成部分。研究人員、制造商和最終用戶公司一直在尋求提高電池的效率，使它們更安全、更小、更輕，以適應(yīng)新技術(shù)的要求——也就是說，消費(fèi)者希望擁有更高功率、更小、更輕便的電池。和更輕便的電子設(shè)備。傳統(tǒng)的制造方法、電化學(xué)和材料只能將電池技術(shù)應(yīng)用到目前為止，因此近年來人們對(duì)在電極中使用納米材料產(chǎn)生了濃厚的興趣。

當(dāng)前的電池技術(shù)沒有任何問題——正如 2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)所展示的那樣，該獎(jiǎng)授予了鋰離子電池背后的科學(xué)家——但變革是不可避免的。如果沒有不斷變化的電子行業(yè)，過去幾十年取得的技術(shù)進(jìn)步是不可能的。

雖然鋰離子 (Li-ion) 電池如今無處不在，但它們的效率并不過分。它們比其他電池更安全，同時(shí)仍具有良好的能量密度，因此還有改進(jìn)的空間。其他類型的電池在基礎(chǔ)和商業(yè)層面都獲得了關(guān)注，但通過將納米材料納入其中來改進(jìn)已經(jīng)建立的鋰離子電池的動(dòng)力已經(jīng)開始。

為什么選擇納米材料？

出于許多與其他行業(yè)做出轉(zhuǎn)變（或希望做出轉(zhuǎn)變）相同的原因，轉(zhuǎn)而試用納米材料而不是體積較大的材料。對(duì)于包含在設(shè)備中（或另一種材料中）的少量納米材料，可以獲得許多特性。

并非所有納米材料都適用于電池，因?yàn)橐恍┘{米材料本質(zhì)上是絕緣的。相反，在電池系統(tǒng)中使用的是導(dǎo)電納米材料，例如固態(tài)材料或非常薄的材料（例如某些二維材料）。幸運(yùn)的是，在電極中使用納米材料并不是一項(xiàng)全新的發(fā)明。在不改變技術(shù)內(nèi)部運(yùn)作的情況下，使系統(tǒng)更有效只是一種自然的進(jìn)步。雖然納米材料的加入可能會(huì)略微改變離子通過不同結(jié)構(gòu)進(jìn)入電極的具體機(jī)制（因?yàn)椴煌叽?幾何形狀的原子孔），但電池的一般運(yùn)行機(jī)制保持不變。這意味著與嘗試從頭開始開發(fā)新型電池相比，可以更容易地查明出現(xiàn)的任何安全或效率問題。有時(shí)，改善現(xiàn)狀比嘗試開發(fā)全新的東西要好。

許多試驗(yàn)的納米材料具有高導(dǎo)電性，隨之而來的是高載流子遷移率。與體積較大的材料相比，這些特性源于納米材料具有非常活躍的表面和非常高的表面積。在某些情況下，活性表面是整個(gè)納米材料（2D 材料）。鑒于納米材料本質(zhì)上很薄，它們比塊狀材料更靈活——即使是無機(jī)材料——這意味著它們對(duì)用于柔性和可穿戴技術(shù)的電池更有用。

盡管尺寸小，但許多納米材料非常穩(wěn)定，能夠抵抗高溫、刺激性化學(xué)品和高物理應(yīng)力。雖然不能說所有納米材料都如此，但其中足夠多的納米材料足夠穩(wěn)定且導(dǎo)電性足以用于電池電極。納米材料的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的成本較高，因?yàn)橹圃焖鼈冃枰鼜?fù)雜的制造方法。然而，由于與大體積材料相比，相同（或更好）的性能只需要少量，因此成本比許多人認(rèn)為的要低得多。納米材料的少量添加也意味著通常會(huì)產(chǎn)生更少的廢物，并且電池比使用散裝材料時(shí)更輕。

石墨烯是領(lǐng)跑者

在所有正在試驗(yàn)的納米材料中，石墨烯是領(lǐng)跑者，其原型比任何其他類型的納米材料都多。許多公司現(xiàn)在為不同的工業(yè)部門商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯電池。據(jù)報(bào)道，一些大型手機(jī)制造商可能會(huì)在不久的將來在一些下一代手機(jī)中使用石墨烯電池（石墨烯已經(jīng)用于一些手機(jī)的冷卻系統(tǒng)）。

石墨烯展示了納米材料可以展示的幾乎所有特性的一些最佳記錄值，這意味著在不同材料的有益特性之間做出妥協(xié)通?？梢酝ㄟ^使用石墨烯來否定。此外，鑒于許多電池已經(jīng)使用石墨——許多石墨烯層相互堆疊——這比其他材料更自然，并且已經(jīng)開發(fā)出使用石墨-石墨烯電極的系統(tǒng)。

石墨烯具有材料界已知的最高導(dǎo)電性和載流子遷移率之一。此外，它具有令人難以置信的高拉伸強(qiáng)度和柔韌性（超過大多數(shù)納米材料和散裝材料），并且對(duì)高溫和刺激性化學(xué)物質(zhì)也很穩(wěn)定。性能的頂峰意味著它可以在多種環(huán)境中使用而不會(huì)影響其性能，這在電池及其所采用的技術(shù)內(nèi)部可能變得非常熱時(shí)非常重要，更不用說它們可能暴露在外部熱量中了。單層石墨烯是光學(xué)透明的，因此它有可能用于制造透明電極和透明導(dǎo)電膜，這些材料可用于未來需要用戶不可見的電池。

除了比大多數(shù)其他納米材料更適合電池的特性外，該行業(yè)在應(yīng)對(duì)巨大需求方面處于更好的位置。由于石墨烯的特性和潛力廣為人知，該行業(yè)一直在全球范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)備和發(fā)展，現(xiàn)在可以以多種不同形式大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯。原材料方面比其他納米材料更具可擴(kuò)展性，使其成為更可行的商業(yè)選擇。

結(jié)論

現(xiàn)代社會(huì)迫切需要更高效、更小的電池，無論應(yīng)用是消費(fèi)類電話還是遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。公司開始在電池系統(tǒng)中試用納米材料，因?yàn)樗鼈儙硇阅軆?yōu)勢(shì)并可以使電池更小，同時(shí)不會(huì)顯著增加成本，因?yàn)橹恍枰倭?。許多公司生產(chǎn)石墨烯電池，但雖然石墨烯電池可用于工業(yè)市場(chǎng)，但高科技消費(fèi)市場(chǎng)（手機(jī)、平板電腦等）可能需要一些時(shí)間才能在大型設(shè)備上采用石墨烯（或其他納米材料） - 規(guī)?；?，因?yàn)楝F(xiàn)狀是經(jīng)過充分檢驗(yàn)的，這些市場(chǎng)的任何變化都需要很長(zhǎng)時(shí)間才能見效。

審核編輯：湯梓紅