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美科学家:基于纳米线的电池材料可充电数十万次

  一直以来,电池的耗损速度过快,对于很多产品来说,都不甚愉快,如果电池能够达到无需更换,那就太完美了,最近,有美国的研究人员发现,基于纳米线的电池材料能够重复充电数十万次,可望实现几乎无需更换的电池。

  美国加州大学尔湾分校(University of California,Irvine;UCI)的研究人员在进行基于纳米线的电荷储存机制研究时发现,其中所涉及的“线”(wire)是沉积的结构(仅以细长纳米线形式呈现)。根据研究人员表示,这是一种纯金的纳米线,表面能以二氧化锰(MnO 2)涂覆或镶嵌护套。该组件基本上是一种电容器,可在交错的纳米线数组之间形成电荷储存电容,并悬浮于电解介质中。

  以相同的材料来看,使用纳米线可提供较薄膜更高的电荷储存。因为纳米线比人类的发丝更细数千倍、而且具有高导电性,并具有较大表面积可供电子储存与传输。纯金纳米线约240nm宽与35nm厚;外壳厚度约在143-300nm之间。根据先前的研究工作发现,这些细丝极其脆弱,不易妥善保持用于重复放电、充电或充放 电循环。因此,一般的锂离子电池容易膨胀、变得脆弱,最后导致破裂。

  UCI研究人员在二氧化锰外壳涂覆纯金纳米线,并将该组装包裹在以树脂玻璃(Plexiglas)状凝胶制造的电解质中,从而解决了这个问题。这种凝胶是聚酸甲酯(PMMA)与过氯酸锂(LiClO 4:形成锂离子电池的锂离子来源)的组合,十分可靠且不易故障。

  主导这项研究的——UCI博士候选人Mya Le Thai在三个月内循环测试电极达20万次,未检测到任何电量或电力损耗,也无损于任何纳米线。这项研究结果已经发表在美国化学学会(American Chemical Society)出版的最新一期《能源快报》(Energy Letters)中。

  UCI化学系主任Reginald Penner表示,“Mya一开始只是抱着好玩的心态,将极薄的凝胶完整涂覆在表面上,并开始进行充放电。她发现只需在纳米线材料上涂覆这种凝胶,就能重复充放电数十万次,而不至于损耗任何容量。”

  他并补充说,“这真的很厉害。因为电池通常最多经过5,000、6,000或7,000次充放电周期后就会整个坏掉而无法使用。”UCI研究人员所使用的结构特别采用高长宽比的纳米线,以便揭露或放大任何可能发生的故障效应:然而,却始终未曾出现。

  研究人员认为,这种凝胶将会塑化电池中的金属氧化物,并赋予灵活性,以防止破裂。

  “该涂层电极能更有效保持原有形状,使其成为一个更可靠的选择,”Thai说,“这项研究证实纳米线电池电极具有更长的使用寿命,让我们得以真正实现这种长效电池。”

  这项研究并与马里兰大学(University of Maryland)先进能源研究中心(Energy Frontier Research Center)电能储存纳米结构(NEES)计划合作,同时获得了美国能源部(DoE)基础能源科学部的资金赞助。

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