如果你在智能手機(jī)的電池里面加入量子點(diǎn)——比人類的頭發(fā)絲細(xì)10,000倍的納米晶體，它會(huì)在30秒內(nèi)充滿，但是這種效應(yīng)只能持續(xù)幾次充放電循環(huán)。
 

比人類的頭發(fā)絲細(xì)10,000倍的納米晶體
 

    范德堡大學(xué)畢業(yè)生Anna Douglas拿著一個(gè)她用黃鐵礦做出的數(shù)百萬(wàn)“愚金”量子點(diǎn)修飾過(guò)的電池。

    但是，范德堡大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在11月11號(hào)的ACS Nano期刊中聲稱他們已經(jīng)找到了克服這個(gè)問(wèn)題的方法：用黃鐵礦制作出“愚金”量子點(diǎn)加入電池，可以使電池既能更快的充電，又能實(shí)現(xiàn)幾十次的充放電循環(huán)。

    這個(gè)團(tuán)隊(duì)以機(jī)械工程院的助教Cary Pint為首，由畢業(yè)生Anna Douglas帶領(lǐng)。之所以對(duì)黃鐵礦感興趣，是因?yàn)樗堑厍虮砻孀钬S富的材料。它最原始的形成方式是作為煤形成時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，而它又是如此的便宜，被應(yīng)用于一次性的商業(yè)化鋰電池中。

    盡管他們給了我們希望，但研究者們還是在怎么獲得納米粒子來(lái)提高電池性能方面遇到了困難。

    Pint說(shuō)：“研究人員已經(jīng)證明納米材料可以顯著改善電池的性能，但是，這里還有一個(gè)限制，當(dāng)粒子尺寸很小的時(shí)候，通常10納米（40-50個(gè)原子間距）以下，納米粒子就會(huì)跟電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而，電池只能充放電幾次。所以，這種尺寸分布的粒子不能應(yīng)用于商業(yè)化的鋰離子電池中。”

    在Douglas專業(yè)合成納米粒子技能的幫助下，這個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索這個(gè)超小型機(jī)制。他們把數(shù)以百萬(wàn)的不同尺寸的愚金量子點(diǎn)負(fù)載到像手表，遠(yuǎn)程車鑰匙，LED手電筒上用的那些標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池上。當(dāng)他們把4.5納米的量子點(diǎn)負(fù)載到鋰電池里時(shí)，獲得了巨大成功，它既大幅提高了電池的循環(huán)壽命，又改善了電池的性能。

    研究者發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦通過(guò)轉(zhuǎn)化為鐵和硫化鋰（或硫化鈉）這種獨(dú)特的方式來(lái)存儲(chǔ)能量，進(jìn)而使電池性能大大提高。Douglas解釋道：“這與傳統(tǒng)鋰電池的儲(chǔ)能方式完全不同，傳統(tǒng)鋰電池在充電時(shí)會(huì)有一種物質(zhì)進(jìn)入，而在放電時(shí)該物質(zhì)又會(huì)與電池分離，整個(gè)過(guò)程電池中存儲(chǔ)鋰離子的材料都沒(méi)有發(fā)生變化。”

    按Pint的理解，“你可以把它想象成香草蛋糕。傳統(tǒng)電池中含鋰和鈉的材料就像插入蛋糕中的巧克力棒，然后再把巧克力棒完整的拔出來(lái)。而我們正在研究的這種材料，你把巧克力棒插進(jìn)香草蛋糕它就變成了香草巧克力蛋糕。”

    這樣一來(lái)，禁止在電池使用超小納米粒子的那些規(guī)則都不再適用。事實(shí)上，超小的納米粒子性能更好。

    Douglas解釋說(shuō)：“與把鋰或鈉離子插入納米粒子不同，把能量存進(jìn)黃鐵礦要求鐵原子的擴(kuò)散作用。不幸的是，鐵原子擴(kuò)散緩慢，要求（粒子）尺寸小于鐵原子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，唯一符合要求的就是超小納米粒子。”

    那些超小納米粒子的尺寸都足以讓鐵原子移動(dòng)到顆粒表面，同時(shí)又讓鈉或鋰在黃鐵礦內(nèi)部與硫反應(yīng)，這是該團(tuán)隊(duì)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。他們證明，由于鐵原子在粒子較大時(shí)無(wú)法穿過(guò)黃鐵礦，這種效應(yīng)不復(fù)存在，這限制了他們的儲(chǔ)能性能。

    Pint認(rèn)為了解化學(xué)存儲(chǔ)機(jī)制和它們對(duì)納米尺寸的依賴是至關(guān)重要的，能使電池性能的提高符合摩爾定律，并順利過(guò)渡到電動(dòng)汽車。

    Pint說(shuō)：“未來(lái)能在短時(shí)間內(nèi)充滿并能持續(xù)幾天放電的電池不可能只利用納米技術(shù)，他將受益于新工具的開(kāi)發(fā)，使我們能設(shè)計(jì)支持持續(xù)數(shù)萬(wàn)次充放電循環(huán)的納米結(jié)構(gòu)，具有媲美汽油的能量存儲(chǔ)容量，我們的研究朝著這個(gè)方向邁出了一大步。”

責(zé)任編輯：班英飛

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414