纳米技术正在激发下一代电池的灵感

纳米技术如何激发下一代电池的灵感

可充电电池是许多现代技术的重要组成部分。研究人员、制造商和最终用户公司一直在寻求提高电池的效率，使它们更安全、更小、更轻，以适应新技术的要求——也就是说，消费者希望拥有更高功率、更小、更轻便的电池。和更轻便的电子设备。传统的制造方法、电化学和材料只能将电池技术应用到目前为止，因此近年来人们对在电极中使用纳米材料产生了浓厚的兴趣。

当前的电池技术没有任何问题——正如 2019 年诺贝尔化学奖所展示的那样，该奖授予了锂离子电池背后的科学家——但变革是不可避免的。如果没有不断变化的电子行业，过去几十年取得的技术进步是不可能的。

虽然锂离子 (Li-ion) 电池如今无处不在，但它们的效率并不过分。它们比其他电池更安全，同时仍具有良好的能量密度，因此还有改进的空间。其他类型的电池在基础和商业层面都获得了关注，但通过将纳米材料纳入其中来改进已经建立的锂离子电池的动力已经开始。

为什么选择纳米材料？

出于许多与其他行业做出转变（或希望做出转变）相同的原因，转而试用纳米材料而不是体积较大的材料。对于包含在设备中（或另一种材料中）的少量纳米材料，可以获得许多特性。

并非所有纳米材料都适用于电池，因为一些纳米材料本质上是绝缘的。相反，在电池系统中使用的是导电纳米材料，例如固态材料或非常薄的材料（例如某些二维材料）。幸运的是，在电极中使用纳米材料并不是一项全新的发明。在不改变技术内部运作的情况下，使系统更有效只是一种自然的进步。虽然纳米材料的加入可能会略微改变离子通过不同结构进入电极的具体机制（因为不同尺寸/几何形状的原子孔），但电池的一般运行机制保持不变。这意味着与尝试从头开始开发新型电池相比，可以更容易地查明出现的任何安全或效率问题。有时，改善现状比尝试开发全新的东西要好。

许多试验的纳米材料具有高导电性，随之而来的是高载流子迁移率。与体积较大的材料相比，这些特性源于纳米材料具有非常活跃的表面和非常高的表面积。在某些情况下，活性表面是整个纳米材料（2D 材料）。鉴于纳米材料本质上很薄，它们比块状材料更灵活——即使是无机材料——这意味着它们对用于柔性和可穿戴技术的电池更有用。

尽管尺寸小，但许多纳米材料非常稳定，能够抵抗高温、刺激性化学品和高物理应力。虽然不能说所有纳米材料都如此，但其中足够多的纳米材料足够稳定且导电性足以用于电池电极。纳米材料的一个缺点是它们的成本较高，因为制造它们需要更复杂的制造方法。然而，由于与大体积材料相比，相同（或更好）的性能只需要少量，因此成本比许多人认为的要低得多。纳米材料的少量添加也意味着通常会产生更少的废物，并且电池比使用散装材料时更轻。

石墨烯是领跑者

在所有正在试验的纳米材料中，石墨烯是领跑者，其原型比任何其他类型的纳米材料都多。许多公司现在为不同的工业部门商业化生产石墨烯电池。据报道，一些大型手机制造商可能会在不久的将来在一些下一代手机中使用石墨烯电池（石墨烯已经用于一些手机的冷却系统）。

石墨烯展示了纳米材料可以展示的几乎所有特性的一些最佳记录值，这意味着在不同材料的有益特性之间做出妥协通常可以通过使用石墨烯来否定。此外，鉴于许多电池已经使用石墨——许多石墨烯层相互堆叠——这比其他材料更自然，并且已经开发出使用石墨-石墨烯电极的系统。

石墨烯具有材料界已知的最高导电性和载流子迁移率之一。此外，它具有令人难以置信的高拉伸强度和柔韧性（超过大多数纳米材料和散装材料），并且对高温和刺激性化学物质也很稳定。性能的顶峰意味着它可以在多种环境中使用而不会影响其性能，这在电池及其所采用的技术内部可能变得非常热时非常重要，更不用说它们可能暴露在外部热量中了。单层石墨烯是光学透明的，因此它有可能用于制造透明电极和透明导电膜，这些材料可用于未来需要用户不可见的电池。

除了比大多数其他纳米材料更适合电池的特性外，该行业在应对巨大需求方面处于更好的位置。由于石墨烯的特性和潜力广为人知，该行业一直在全球范围内进行准备和发展，现在可以以多种不同形式大规模生产石墨烯。原材料方面比其他纳米材料更具可扩展性，使其成为更可行的商业选择。

结论

现代社会迫切需要更高效、更小的电池，无论应用是消费类电话还是远程监控设备。公司开始在电池系统中试用纳米材料，因为它们带来性能优势并可以使电池更小，同时不会显着增加成本，因为只需要少量。许多公司生产石墨烯电池，但虽然石墨烯电池可用于工业市场，但高科技消费市场（手机、平板电脑等）可能需要一些时间才能在大型设备上采用石墨烯（或其他纳米材料） - 规模化，因为现状是经过充分检验的，这些市场的任何变化都需要很长时间才能见效。

审核编辑：汤梓红