新款鋰離子電池電極簡介

    新款鋰電池的電極采用了一款名為MXene的二維材料，其導電性高。據(jù)研究團隊透露，未來新款鋰電池或許能實現(xiàn)電動車的“近即時（near-instant）”充電。

    他們表示，新電極或?qū)⒔鉀Q長久以來一直困擾電動車市場的一大技術難題。在早前的研究中，該團隊將目光放到了超級電容器（supercapacitors）上，該器件是便攜式電子產(chǎn)品的儲能設備?？上У氖?，該器件僅能被用于快速充放電，無法長期儲能。

    如今，德雷塞爾大學的工程學研究員們采用了MXene材料，結合了超級電容器與傳統(tǒng)大容量電池的優(yōu)點和特性。

    首席研究員Yury Gogotsi表示，團隊的研究成果駁斥了普遍接受的業(yè)內(nèi)教條（dogma）——相較于雙電層電容器（electrical double-layer capacitors）內(nèi)所用的物理存儲器（physical storage），電池內(nèi)化學物質(zhì)的電荷存儲（chemical charge storage）的充電速率要慢得多。

    Gogotsi在一份聲明中宣稱：“我們抽取了薄薄的一層MXene電極，用于演示充電速率，整個充電過程只需數(shù)十毫秒。這主要得益于MXene材質(zhì)的超高導電性，為未來研發(fā)超快速儲能設備鋪平了道路，未來鋰電池的充放電耗時將僅需數(shù)秒，且所儲存的電能要遠高于常規(guī)的超級電容器。”

    MXene材質(zhì)簡介

    MXene是一款扁平的納米材料，于2011年被德雷塞爾大學材料科學與工程系的研究人員所發(fā)現(xiàn)，其外觀酷似三明治，由氧化物與導電的碳及金屬填充物構成，而氧化物相當于三明治中的面包，將填充物夾在中間。在材料制造過程中，研究人員將采用層壓法來制作MXene。不妨想象下桶裝品客薯片的樣子，該材質(zhì)的各層材料就是如此堆疊而成。

    MXene材質(zhì)電極的弊端及改進

    盡管MXene的導電性相當出色，但其結構不利于鋰離子在電池內(nèi)的擴散。對于鋰電池的儲能而言，鋰離子留在氧化還原活性位置（redox active sites），這類位置的數(shù)量越多，電池保有的電量就越大。重要的是，電池還使鋰離子能夠自由移動，否則其無法到達氧化還原活性位置。

    為使MXene的鋰離子能自由移動，研究人員對其結構進行了一定的調(diào)整。研究人員將MXene與水凝膠（hydrogel）相混合，改變了其結構，使鋰離子能自由移動。

    Yury Gogotsi表示：“理想的電極架構是多通道結構（multi-lane），以便鋰離子高速移動。研究團隊研發(fā)的大孔隙電極設計恰好實現(xiàn)了該目標，使充電過程短短數(shù)秒內(nèi)完成。”

    MXene電極的未來展望

    該大學表示，該款電池材料的研發(fā)應用具有重要意義，其在很大程度上解決了目前電動車推廣受阻的一大技術難題。

    Gogotsi表示：“若未來該款低維導電材質(zhì)電池電極得到采用，將大幅提升電池的充電效率及電量，進而將提升車輛、筆記本電腦、手機電池的充電速率，只需數(shù)秒或數(shù)分鐘就能完成，無需苦等數(shù)小時。”

    Gogotsi表示，采用MXene作為電極材料的最大好處在于其導電性。但研究團隊也承認，該電極材料及相關技術看似頗具前景，但目前仍不確定試制成功并用于車輛后的實際情況，但他們表示，一旦應用到車輛及手機中，將徹底顛覆當前所用的電池。