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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，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)分的天然管道來容納鋰離子。這樣一來，木材就會(huì)成為金屬離子的“居所”。由于結(jié)構(gòu)固定，無論離子數(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。該方法的靈感來源于植物中最常見的結(jié)構(gòu)——葉脈。為了設(shè)計(jì)這種生物風(fēng)格的材料，來自中國(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。
不過這種電池同樣面臨著一個(gè)問題：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課題組通過制備納米二氧化硅三明治隔膜的方法來延長(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。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，其在未來十年的前景非常光明”。
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