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(shí)間內(nèi)完成充電或放電，在現(xiàn)有手機(jī)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(bào)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(fù)極設(shè)計(jì)成3D納米結(jié)構(gòu)，既可保證超快速充電和放電，同時(shí)又能兼顧電池的儲(chǔ)能容量。
“我們的這個(gè)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(chǔ)存很少的能量。它們可以快速放電，但儲(chǔ)能容量卻很小。”布勞恩解釋說，“大多數(shù)電池儲(chǔ)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(shí)性能會(huì)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(shí)，電池的儲(chǔ)能容量卻幾乎降為零，因?yàn)檫@種活性物質(zhì)無法儲(chǔ)能。不過，如果將薄膜制成三維結(jié)構(gòu)，則既可提高儲(chǔ)能容量，又能提供強(qiáng)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(jī)，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(chǔ)能、同時(shí)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(rèn)為，這款新電池生來就是為電動(dòng)汽車開發(fā)的，因?yàn)槟壳半妱?dòng)汽車發(fā)展面臨的局限就是電池的使用壽命短和充電時(shí)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(gè)基底的表面，并讓小球緊密組合在一起，形成一個(gè)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(shí)，也不現(xiàn)實(shí)，但這些廉價(jià)的小球可以自動(dòng)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(gè)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(gè)無邊框的框架結(jié)構(gòu)?；钚晕镔|(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(dòng)；活性物質(zhì)薄膜在擴(kuò)散動(dòng)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(shí)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(rèn)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(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)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）
