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電池技術(shù)進(jìn)步的齒輪也一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)著：固態(tài)電池、鋰空氣電池、硅碳負(fù)極、硅烯負(fù)極、高鎳三元材料、富鋰錳基材料……關(guān)于電池的研究與嘗試從未停止。
“大膽猜想，小心驗(yàn)證”一直都是科技研究的神圣法則，也正是這種創(chuàng)造性極大豐富著我們生活。而目前新能源汽車的極速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)質(zhì)變的需求越發(fā)緊迫。
而事實(shí)上，電池技術(shù)進(jìn)步的齒輪也一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)著：固態(tài)電池、鋰空氣電池、硅碳負(fù)極、硅烯負(fù)極、高鎳三元材料、富鋰錳基材料……關(guān)于電池的研究與嘗試從未停止。
值得一提的是，除了上述的主流電池技術(shù)方向以外，還有很多離產(chǎn)業(yè)化非常遙遠(yuǎn)的“偏門”技術(shù)。這些偏門技術(shù)，乍一看不知所謂，或許還有不少人對(duì)此嗤之以鼻。但正是這種創(chuàng)造性讓人對(duì)未來(lái)懷有希望，指不定某條不被理解的路改變了世界。
在筆者看來(lái)，這些看似奇葩的電池研究，不僅僅是一場(chǎng)鬧劇。能成為研究方向必有其可取之處，即便最終不能為產(chǎn)業(yè)所用，但他山之石可以攻玉，總有些閃光點(diǎn)能成為后續(xù)電池研究的基石。為此筆者整理了一些看似和電池八竿子打不著的元素，卻是不折不扣的電池技術(shù)。
1、棉花
小小的棉花短絨，居然可以成為制造電池的原料，還能吸附化學(xué)試劑。最近，中國(guó)科學(xué)院新疆理化所資源化學(xué)研究室研究員張亞剛帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)就以棉花短絨為原料，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型碳纖維和功能型氮摻雜多孔碳材料。
傳統(tǒng)的碳材料制備方法需要消耗大量的化石能源，還伴隨著環(huán)境問(wèn)題。最近，團(tuán)隊(duì)又以棉花短絨為原料，經(jīng)纖維素氨基甲酸酯、溶液配制，碳化、活化等步驟制備出氮摻雜多孔碳材料。同時(shí)，系統(tǒng)地考察了不同的碳化溫度對(duì)試樣得率、元素組成、形貌、孔結(jié)構(gòu)的影響。
這種材料孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)，具有超高的比表面積。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，以氮摻雜多孔碳材料制備的超級(jí)電容器在循環(huán)5000次后，比電容容量仍可保持初始容量的93%—95%，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。通過(guò)在不同電解液中實(shí)驗(yàn)，它還同時(shí)具備優(yōu)異的倍率特性。此外，氮摻雜多孔碳還具有優(yōu)異的染料吸附性能。
據(jù)了解，上述研究成果已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，并于近期發(fā)表在國(guó)際刊物《材料化學(xué)雜志A》上。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，這種以植物為原料的新型碳材料在污水處理和超級(jí)電容器領(lǐng)域有著優(yōu)異表現(xiàn)，在能源和環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
2、木頭
馬里蘭大學(xué)的科學(xué)家提出，放棄使用金屬塊儲(chǔ)存鋰離子的傳統(tǒng)做法，轉(zhuǎn)而使用木材中運(yùn)輸水與養(yǎng)分的天然管道來(lái)容納鋰離子。這樣一來(lái)，木材就會(huì)成為金屬離子的“居所”。由于結(jié)構(gòu)固定，無(wú)論離子數(shù)量如何變化，木材都不會(huì)坍塌或受到損壞。
為了在充電時(shí)，保證高電流密度不會(huì)使鋰離子堵塞在“居所”門外，科學(xué)家增加了木材內(nèi)部的通道入口。這種改造使得每個(gè)入口的離子數(shù)量都不多，局部電流密度很小，電池不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱發(fā)燙現(xiàn)象，也就避免了爆炸。此外，由于木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更大，同樣體積條件下，能夠比金屬塊容納更多電量。
研究者表示，目前使用木材之類的天然材料改進(jìn)鋰電池構(gòu)造還只是研究的一部分。正是天然生物結(jié)構(gòu)為科研帶來(lái)靈感，人們才能想到用可再生材料去創(chuàng)造存儲(chǔ)能量的新方式。
3、葉子
國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)們最新發(fā)現(xiàn)了一種能延長(zhǎng)電池壽命的方法。該方法的靈感來(lái)源于植物中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)——葉脈。為了設(shè)計(jì)這種生物風(fēng)格的材料，來(lái)自中國(guó)，英國(guó)，美國(guó)和比利時(shí)的科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)根據(jù)默里定律（Murray'sLaw）原理，制作了一種多孔的材料，這種材料高度模仿植物葉片中的葉脈。
再利用基于蒸發(fā)的方法將氧化鋅納米顆粒排列成具有各種尺寸孔隙的網(wǎng)絡(luò)，在外形表現(xiàn)上就跟葉片中的葉脈一樣，能最大限度地提高電極的轉(zhuǎn)移量，同時(shí)還能最小化必要的能量輸出。葉狀結(jié)構(gòu)可以改善從可充電電池到高性能氣體傳感器的性能，在鋰電池中使用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化充放電過(guò)程，減輕電池電極內(nèi)的應(yīng)力，從而延長(zhǎng)其使用壽命。
不過(guò)這種電池同樣面臨著一個(gè)問(wèn)題：如何運(yùn)用在實(shí)際產(chǎn)品之中。該技術(shù)還需要一個(gè)能大量生產(chǎn)納米顆粒網(wǎng)絡(luò)的方法支撐。但是我們相信，如果這款電池技術(shù)能真正運(yùn)用得上，至少對(duì)于我們的手機(jī)電池優(yōu)化是非常有幫助的。
4、陶瓷
來(lái)自西班牙卡洛斯三世大學(xué)(UC3M)和科研理事會(huì)的研究人員已經(jīng)獲得了制備新型鋰離子電池陶瓷電極的專利方法，比傳統(tǒng)電池更有效率，而且更便宜，更耐用，也更安全。
這是一種通過(guò)熱塑性擠壓模具制造陶瓷片的方法。Várez表示：“這種技術(shù)可以制造扁平狀或管狀電極，而這些電極可用于任何類型的鋰離子電池。”此外，由于生產(chǎn)成本相對(duì)較低，很容易適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)過(guò)程，所以很快將實(shí)現(xiàn)下一步的工業(yè)化應(yīng)用。
這些陶瓷電極僅由活性材料組成，這樣一來(lái)就降低了在高溫(高于100℃)下降解和著火的風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)研究人員進(jìn)行的測(cè)試表明，集成了這些新電極的電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們的效率。測(cè)試結(jié)果顯示，配備這種電極的電池的容量幾乎是具有相同密度的商業(yè)電極電池的幾倍。而且由于這種技術(shù)允許制造高密度電極(在450和1000微米之間)，存儲(chǔ)容量也是當(dāng)前技術(shù)容量的十倍以上。
5、三明治
最近，CuiYi課題組通過(guò)制備納米二氧化硅三明治隔膜的方法來(lái)延長(zhǎng)鋰金屬電池的壽命。相比于傳統(tǒng)的三明治隔膜，該隔膜的特點(diǎn)在于：
(1)納米二氧化硅作為中間夾層，可防止副反應(yīng)發(fā)生;
(2)納米二氧化硅顆粒的堆積可為鋰離子和電解液的透過(guò)提供足夠的空間;
(3)二氧化硅為絕緣材料，只有在鋰金屬刺入隔膜時(shí)才可發(fā)生反應(yīng)，防止枝晶進(jìn)一步生長(zhǎng)。
該研究通過(guò)設(shè)計(jì)納米二氧化硅三明治隔膜，在枝晶刺入隔膜時(shí)有效減緩枝晶的進(jìn)一步生長(zhǎng)，提高鋰金屬電池的安全性，對(duì)鋰金屬電池的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。
6、玻璃瓶
加州大學(xué)河濱分校(UCRiverside)的一支團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在證明——將廢舊玻璃瓶作為材料來(lái)源，對(duì)環(huán)境可以更加友好。
研究人員們將玻璃瓶從垃圾填埋場(chǎng)解救了出來(lái)。首先將玻璃瓶粉碎成良好的白色粉末，然后在熱鎂的加持下，將二氧化硅進(jìn)一步細(xì)化到納米級(jí)別。最終，這些納米粒子被碳所包覆，不僅性質(zhì)更加穩(wěn)定、儲(chǔ)能量也有所提升。
在對(duì)采用這種陽(yáng)極材料制造的紐扣電池進(jìn)行的400+次循環(huán)測(cè)試中，其儲(chǔ)能量在1420mAh/g左右，較常規(guī)石墨陽(yáng)極電池(約350mAh/g)有大幅提升。
研究首席作者ChanglingLi表示：“我們從垃圾填埋場(chǎng)找尋這種廢棄物開(kāi)始，一手將它打造成了儲(chǔ)能量更高、充電速度更快、性狀更穩(wěn)定的商用紐扣電池，其在未來(lái)十年的前景非常光明”。
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