電池是現(xiàn)代電子工具的重要部件，也是一大短板。它的主要缺陷是：不能像超級電容器那樣快速充電，性能會隨時間而降低。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)10月9日報(bào)道，現(xiàn)在，美國科學(xué)家研制出了擁有三維納米結(jié)構(gòu)電極的電池，充放電可在幾秒內(nèi)完成，而且快速充放電不會影響電池的能量密度。最新成果有望徹底改變電池的設(shè)計(jì)方法。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校材料科學(xué)和工程教授保爾·保恩同碩士生于新迪（音譯）、博士后研究員張惠剛（音譯）一起，將一個薄膜包裹成三維納米結(jié)構(gòu)的電極，讓其能獲得較大的有效容積和電流。演示結(jié)果表明，擁有這種電極的電池能在幾秒鐘內(nèi)快速地充電和放電，效率是塊狀電極電池的100倍。這意味著，當(dāng)將其用于電動汽車內(nèi)時，其充電所需的時間可能和在加油站加油一樣；更重要的是，快速充放電對電池的能量密度（在一定空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小，要解決的是電動車充一次電能跑多遠(yuǎn)的問題）毫無影響。
保恩表示：“這種能快速充放電的新電池除了能在汽車領(lǐng)域大展拳腳外，也可以用于醫(yī)藥設(shè)備、激光器內(nèi)和軍事領(lǐng)域。”
科學(xué)家們首先將細(xì)小的圓球涂在一個表面上，隨后將圓球緊緊包裹成一個網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，圓球之間的空隙和圓球四周都填滿金屬；接著將圓球熔化，得到一個類似海綿的三維支架；然后用電解法對三維支架的表面進(jìn)行蝕刻，從而讓海綿結(jié)構(gòu)內(nèi)的微孔增大，制造出了一個開放的框架結(jié)構(gòu)，最后再將活性物質(zhì)薄膜涂在該框架上。
研究人員指出：“結(jié)果，我們得到了一個性能優(yōu)異的電極結(jié)構(gòu)，其相互之間的聯(lián)系很少，因此鋰離子能快速移動；活性物質(zhì)薄膜也使鋰離子能很快擴(kuò)散；同時，金屬材料讓其導(dǎo)電性更好。”
保恩說：“最新研究與任何特定的電池類型無關(guān)，而是一種新的電池設(shè)計(jì)范式用三維結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)電池的性能。”
這項(xiàng)研究獲得了美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國能源部的支持。
今年年初，張惠剛等人在《自然·納米技術(shù)》雜志上指出，他們研發(fā)出了一種讓電池快速充電的新方法，適用于鋰離子和鎳基電池。該方法著眼于減少離子到達(dá)電極間距離。結(jié)果顯示，以鎳氫電池為例，電極能在2.7秒內(nèi)充滿75%的電容量；20秒內(nèi)充到90%，這一速度經(jīng)過100次充放電循環(huán)后仍維持穩(wěn)定。一個全尺寸的鋰電池的電極能在1分鐘充到75%；2分鐘內(nèi)充到90%。
