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(shuō),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(lái)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(méi)有任何問(wèn)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(méi)有不斷變化的電子行業(yè),過(guò)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(wú)處不在,但它們的效率并不過(guò)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(guò)將納米材料納入其中來(lái)改進(jìn)已經(jīng)建立的鋰離子電池的動(dòng)力已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(kāi)始開(kāi)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(wèn)題。有時(shí),改善現(xiàn)狀比嘗試開(kāi)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(lái)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(wú)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(shuō)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(mén)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(lái)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^(guò)使用石墨烯來(lái)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(kāi)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(guò)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(shuō)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(lái)需要用戶不可見(jiàn)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(wú)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(kāi)始在電池系統(tǒng)中試用納米材料,因?yàn)樗鼈儙?lái)性能優(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)橹恍枰倭俊TS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(guò)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(jiàn)效。
審核編輯:湯梓紅
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