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伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校:新型电池采用三维纳米电极 几秒内完成充放电
来源:美国物理学家组织网 | 作者:编译/刘霞 | 2011/10/12 13:22:36 | 浏览:1064 | 评论:0

  电池是现代电子工具的重要部件,也是一大短板。它的主要缺陷是:不能像超级电容器那样快速充电,性能会随时间而降低。现在,美国科学家研制出了拥有三维纳米结构电极的电池,充放电可在几秒内完成,而且快速充放电不会影响电池的能量密度。最新成果有望彻底改变电池的设计方法。

  伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校材料科学和工程教授保尔·保恩同硕士生于新迪(音译)、博士后研究员张惠刚(音译)一起,将一个薄膜包裹成三维纳米结构的电极,让其能获得较大的有效容积和电流。演示结果表明,拥有这种电极的电池能在几秒钟内快速地充电和放电,效率是块状电极电池的100倍。这意味着,当将其用于电动汽车内时,其充电所需的时间可能和在加油站加油一样;更重要的是,快速充放电对电池的能量密度(在一定空间或质量物质中储存能量的大小,要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题)毫无影响。

  保恩表示:“这种能快速充放电的新电池除了能在汽车领域大展拳脚外,也可以用于医药设备、激光器内和军事领域。”

  科学家们首先将细小的圆球涂在一个表面上,随后将圆球紧紧包裹成一个网格状的结构,圆球之间的空隙和圆球四周都填满金属;接着将圆球熔化,得到一个类似海绵的三维支架;然后用电解法对三维支架的表面进行蚀刻,从而让海绵结构内的微孔增大,制造出了一个开放的框架结构,最后再将活性物质薄膜涂在该框架上。

  研究人员指出:“结果,我们得到了一个性能优异的电极结构,其相互之间的联系很少,因此锂离子能快速移动;活性物质薄膜也使锂离子能很快扩散;同时,金属材料让其导电性更好。”

  保恩说:“最新研究与任何特定的电池类型无关,而是一种新的电池设计范式——用三维结构来增强电池的性能。”

  这项研究获得了美国陆军研究实验室和美国能源部的支持。

  今年年初,张惠刚等人在《自然·纳米技术》杂志上指出,他们研发出了一种让电池快速充电的新方法,适用于锂离子和镍基电池。该方法着眼于减少离子到达电极间距离。结果显示,以镍氢电池为例,电极能在2.7秒内充满75%的电容量;20秒内充到90%,这一速度经过100次充放电循环后仍维持稳定。一个全尺寸的锂电池的电极能在1分钟充到75%;2分钟内充到90%。

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