前沿科技之纳米碳管大容量锂电池

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麻省理工学院（MIT）的研究人员取得了一项新的研究成果有望使得电池容量大大增加。他们发现采用纳米碳管作为电池一端电极可获得十倍于现有的锂电池的容量。这种新电极将可能用在小型便携式设备中，而且进一步的研究将使得这种大容量电池得以应用于实际。
为了使得新电极材料产生能改善性能，研究小组人员采用了一种层叠的制造工艺，这样基质被浸泡在含有纳米碳管溶液中，纳米碳管由有机化合物处理过带有正或者负电荷，由于电荷的作用基质的表面就能沉积一层稳定的耐久的薄膜。
这项研究是由MIT机械工程和材料科学工程的副教授Yang Shao-Horn领导，该项成果在近期的Nature Nanotechnology发表，作者还包括化学工程专业学生Seung Woo Lee和博士后Naoaki Yabuuchi等。
+ u  Z  B; O* A0 J6 ?锂电池广泛地被应用于便携式电子设备，由阳极、阴极、电解质、和可移动的导电离子构成。当电池在使用时，正电荷的锂离子经由电解质向阴极移动产生电流，而充电时外部电流使得锂离子朝反方向运动在阳极的多孔材料的空间中存储。
8 c5 u- l" ?' g纳米碳管由纯碳构成，碳原子形成的薄片被卷成细小的管子。在新电池的电极中，纳米碳管自组织形成纳米尺度下的多孔结构。纳米碳管的表面有许多氧化物，这样就可以存储许多的锂离子，使得电池容量大大增加。这也是第一次在阳极使用纳米碳管，而不是仅仅在阴极使用。
研究者Hammond表示，这种纳米碳管的静电自组织过程非常重要，因为普通纳米碳管会倾向于结合成一块形成一捆，使得反应表面减少。通过有机分子的作用则可以形成大量的纳米碳管并使得它们形成一种高度多孔性的材料。
( f$ E! k, q; g2 H  ^1 h3 B' W, D采用这种新电极可使得传统电容器的能量输出提高至原有水平的5倍，而采用该电极的电池容量可达到常规锂电池的10倍。这样的高性能归功于电极中离子和电子的有效传导和纳米碳管表面的锂离子的储存。除此之外，新纳米碳管电极显示了很好的稳定性，1000次的反复充放电实验中，电池材料的性能几乎没有发生变化。
2 R. c8 |& Y' m9 G该电极的厚度仅仅几个微米，在高能量输出水平具有较好的性能。在未来，该小组计划制造更厚的电极以提升在低能量输出水平的性能。该电极产品将有望在小型便携式电子设备中广泛使用，在未来如果在电极厚度较大时高能量输出水平也具有较好的性能，那么该电极将极有可能在电动汽车领域应用。由于制造该电极时需要交替在两种溶液中浸泡，这使得该过程耗时，研究人员也正在开展相关制造工艺研究，使得制造更加快捷简单，使其大量生产成为可能。