2011年1月6日
伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)开发的一种全新类型的纳米材料，可以为电动汽车、笔记本电脑、移动电话和其他便携式设备制造下一代大功率可充电锂离子电池。
这种新材料被称为“纳米勺子”，因为它的形状像一个顶部有一勺冰淇淋的圆锥体，可以承受极高的充放电速率，这将导致当今锂离子电池使用的传统电极迅速恶化和失效。纳米勺的成功在于它独特的材料组成、结构和尺寸。
伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人员开发了一种全新类型的纳米材料，可以为电动汽车、笔记本电脑、移动电话和其他设备提供下一代大功率可充电锂离子电池。这种材料被称为“纳米勺”，因为它看起来像一个顶部有一勺冰淇淋的圆锥体，在上面的扫描电子显微镜图像中显示。纳米勺可以承受极高的充放电速率，这将导致今天的锂离子电池迅速恶化和失效。
由Nikhil Koratkar教授领导的Rensselaer研究小组展示了纳米电极可以以比传统电池阳极快40到60倍的速度充放电，同时保持相当的能量密度。这种出色的性能，实现了超过100个连续充放电循环，使团队相信他们的新技术在设计和实现高功率、高容量锂离子可充电电池方面具有巨大的潜力。
科拉特卡尔是伦斯勒大学机械、航天和核工程学院的教授，他说:“在几分钟内给我的笔记本电脑或手机充电，而不是一小时，这对我来说很不错。”“通过使用我们的纳米勺作为锂离子可充电电池的阳极结构，这是一个非常现实的前景。此外，这项技术还可能进一步发展，以满足电动汽车电池的需求。”
Koatkar说，除了高能量密度之外，全电动汽车的电池还必须提供高功率密度。如今，这些车辆使用超级电容器来执行电力密集型功能，如启动车辆和快速加速，并结合传统电池，为正常巡航驾驶和其他操作提供高能量密度。克拉特卡尔说，纳米勺的发明可能使这两个独立的系统结合成一个单一的、更高效的电池单元。
周四发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上的《用于高功率锂离子电池阳极的功能应变梯度纳米勺》(functional Strain-Graded nanoscoop for High Power Li-Ion Battery anode)文章详细介绍了这项研究的结果。
锂离子电池的负极结构会随着电池充电或放电而增大或缩小。充电时，锂离子的加入增加了阳极的体积，而放电则相反。这些体积变化导致阳极应力的积聚。过大的压力过快积聚，比如在电池高速充电或放电的情况下，会导致电池过早失效。这就是为什么今天的便携式电子设备，如手机和笔记本电脑中的大多数电池充电很慢的原因——缓慢的充电速率是有意为之的，旨在保护电池免受压力引起的损坏。
然而，伦斯勒团队的纳米勺被设计成能够承受这种压力的累积。这种结构由碳(C)纳米棒基底，顶部覆盖一层纳米级铝(Al)和一勺纳米级硅(Si)，非常灵活，能够以极快的速度接受和放电锂离子，而不会造成重大损害。纳米勺的分段结构使应变逐渐从C基转移到Al层，最后转移到Si勺。这种自然应变梯度使得应力在材料界面上的突变更少，从而改善了电极的结构完整性。
根据Koratkar的说法，勺的纳米尺度大小也是至关重要的，因为纳米结构比大块材料更不容易开裂。欧洲杯足球竞彩
他说:“由于纳米级的尺寸，我们的纳米勺可以以高速率浸泡和释放锂，远远比目前锂离子电池中使用的宏观级阳极更有效。”“这意味着我们的纳米勺可能是汽车公司和其他电池制造商面临的一个关键问题的解决方案——如何在保持高能量密度的同时增加电池的功率密度?”
Koratkar说，纳米勺结构的一个限制是电极的总质量相对较低。为了解决这个问题，该团队的下一步是尝试用更大的质量来增加更长的纳米勺，或者开发一种将纳米勺层层叠加的方法。该团队正在探索的另一种可能性包括在大型柔性基片上种植纳米勺，这些基片可以滚动或塑形，以适应汽车的轮廓或底盘。
除了Koratkar，论文的作者还有R.P. Baker特聘物理学教授、Rensselaer集成电子中心副主任Toh-Ming Lu;以及伦斯勒大学材料科学与工程系研究生拉胡尔·克里希南(Rahul Krishnan)。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF)和纽约州能源研究与开发局(NYSERDA欧洲杯线上买球)的支持。
来源:http://www.rpi.edu/