对于采用充电电池的使用者来说,最恼人的问题就是充电的时间。这对移动设备用户来说极其不便,同时也是电动车缓慢被接受的原因之一。

美国宾州卓克索大学(Drexel University)的研究人员开发出一种采用2D过渡金属碳化物(MXene)的新颖电池设计,其“第三维”(3D)只有几个原子厚。以MXene打造电极的电池提供了在几秒内吸收完全充电的可能性,再也不必花费几小时充电了。

由Drexel University教授Yury Gogotsi带领的研究团队在最近的《自然能源》(Nature Energy)发表其研究细节。

基于MXene的电极架构提供了两种非常重要的特性。

首先,当电池充电时,带电荷的离子注入其中,寻找储存位置。由于MXene具有巨大孔隙或开口较多的特性,使得这一流程更快更容易,带电荷的离子可以更快速地进入其电极上的“埠”。当电池处于供电而非接收电力时,这就是储存电量作为备用之处。

据这篇研究论文的第一作者Maria Lukatskaya介绍,“理想的电极架构应该是让离子像行驶多线道的高速公路一样流动至‘埠’,而非经由单行道。我们的巨大孔隙电极设计达到了这个目标,因而能够在几秒内或以更快的速度实现快速充电。”

第二个特性是,采用MXene,就能在指定的区域内容纳更多的埠或氧化还原点。其结果是基于MXene电极的电池可为特定的尺寸与重量储存更多电荷。

如同在Inverse.com中的文章所说的,目前大多数的电池都使用化学能量储存。而如同图中所示,MXene可被描述为一种“微型瑞士奶酪”(microscopic Swiss cheese),其上具有许多离子的储存地点。因此,水凝胶的应用导致更多这些氧化还原点的产生,提高了电池的储存容量。

008ednc20170725 MXene的原子结构(来源:Drexel University)

MXene得以将超级电容器的快速充电和放电特性以及电池的优质储存容量结合起来。如同Yury Gogotsi所说的,“这篇研究论文反驳了广泛的误解:电池和伪电容器(pseudocapacitor)所用的化学电荷储存比双层电容器(即超级电容器)所用的实体储存容量更低得多。”

正如Inverse文中引用特斯拉(Tesla)首席执行官Elon Musk所说的:“现有的电池技术真的很糟糕!”电池技术一开始就存在许多错误,而且有许多新的想法最后都无法扩展,因而难以从实验室中走出来。由于电池技术是在许多领域寻求进展之路的瓶颈,因此,我们都期待这项创新最终能克服障碍,实现高储存容量和超快速充电的愿景。

(原文发表于EDN姐妹刊EE Times,Susan Hong编译)

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