納米技術如何激發下一代電池的靈感

可充電電池是許多現代技術的重要組成部分。研究人員、制造商和最終用戶公司一直在尋求提高電池的效率，使它們更安全、更小、更輕，以適應新技術的要求——也就是說，消費者希望擁有更高功率、更小、更輕便的電池。和更輕便的電子設備。傳統的制造方法、電化學和材料只能將電池技術應用到目前為止，因此近年來人們對在電極中使用納米材料產生了濃厚的興趣。

當前的電池技術沒有任何問題——正如 2019 年諾貝爾化學獎所展示的那樣，該獎授予了鋰離子電池背后的科學家——但變革是不可避免的。如果沒有不斷變化的電子行業，過去幾十年取得的技術進步是不可能的。

雖然鋰離子 (Li-ion) 電池如今無處不在，但它們的效率并不過分。它們比其他電池更安全，同時仍具有良好的能量密度，因此還有改進的空間。其他類型的電池在基礎和商業層面都獲得了關注，但通過將納米材料納入其中來改進已經建立的鋰離子電池的動力已經開始。

為什么選擇納米材料？

出于許多與其他行業做出轉變（或希望做出轉變）相同的原因，轉而試用納米材料而不是體積較大的材料。對于包含在設備中（或另一種材料中）的少量納米材料，可以獲得許多特性。

并非所有納米材料都適用于電池，因為一些納米材料本質上是絕緣的。相反，在電池系統中使用的是導電納米材料，例如固態材料或非常薄的材料（例如某些二維材料）。幸運的是，在電極中使用納米材料并不是一項全新的發明。在不改變技術內部運作的情況下，使系統更有效只是一種自然的進步。雖然納米材料的加入可能會略微改變離子通過不同結構進入電極的具體機制（因為不同尺寸/幾何形狀的原子孔），但電池的一般運行機制保持不變。這意味著與嘗試從頭開始開發新型電池相比，可以更容易地查明出現的任何安全或效率問題。有時，改善現狀比嘗試開發全新的東西要好。

許多試驗的納米材料具有高導電性，隨之而來的是高載流子遷移率。與體積較大的材料相比，這些特性源于納米材料具有非常活躍的表面和非常高的表面積。在某些情況下，活性表面是整個納米材料（2D 材料）。鑒于納米材料本質上很薄，它們比塊狀材料更靈活——即使是無機材料——這意味著它們對用于柔性和可穿戴技術的電池更有用。

盡管尺寸小，但許多納米材料非常穩定，能夠抵抗高溫、刺激性化學品和高物理應力。雖然不能說所有納米材料都如此，但其中足夠多的納米材料足夠穩定且導電性足以用于電池電極。納米材料的一個缺點是它們的成本較高，因為制造它們需要更復雜的制造方法。然而，由于與大體積材料相比，相同（或更好）的性能只需要少量，因此成本比許多人認為的要低得多。納米材料的少量添加也意味著通常會產生更少的廢物，并且電池比使用散裝材料時更輕。

石墨烯是領跑者

在所有正在試驗的納米材料中，石墨烯是領跑者，其原型比任何其他類型的納米材料都多。許多公司現在為不同的工業部門商業化生產石墨烯電池。據報道，一些大型手機制造商可能會在不久的將來在一些下一代手機中使用石墨烯電池（石墨烯已經用于一些手機的冷卻系統）。

石墨烯展示了納米材料可以展示的幾乎所有特性的一些最佳記錄值，這意味著在不同材料的有益特性之間做出妥協通常可以通過使用石墨烯來否定。此外，鑒于許多電池已經使用石墨——許多石墨烯層相互堆疊——這比其他材料更自然，并且已經開發出使用石墨-石墨烯電極的系統。

石墨烯具有材料界已知的最高導電性和載流子遷移率之一。此外，它具有令人難以置信的高拉伸強度和柔韌性（超過大多數納米材料和散裝材料），并且對高溫和刺激性化學物質也很穩定。性能的頂峰意味著它可以在多種環境中使用而不會影響其性能，這在電池及其所采用的技術內部可能變得非常熱時非常重要，更不用說它們可能暴露在外部熱量中了。單層石墨烯是光學透明的，因此它有可能用于制造透明電極和透明導電膜，這些材料可用于未來需要用戶不可見的電池。

除了比大多數其他納米材料更適合電池的特性外，該行業在應對巨大需求方面處于更好的位置。由于石墨烯的特性和潛力廣為人知，該行業一直在全球范圍內進行準備和發展，現在可以以多種不同形式大規模生產石墨烯。原材料方面比其他納米材料更具可擴展性，使其成為更可行的商業選擇。

結論

現代社會迫切需要更高效、更小的電池，無論應用是消費類電話還是遠程監控設備。公司開始在電池系統中試用納米材料，因為它們帶來性能優勢并可以使電池更小，同時不會顯著增加成本，因為只需要少量。許多公司生產石墨烯電池，但雖然石墨烯電池可用于工業市場，但高科技消費市場（手機、平板電腦等）可能需要一些時間才能在大型設備上采用石墨烯（或其他納米材料） - 規模化，因為現狀是經過充分檢驗的，這些市場的任何變化都需要很長時間才能見效。

審核編輯：湯梓紅