三维纳米电极的电池充放电只需几秒

    本报讯电池是现代电子工具的重要部件，也是一大短板。它的主要缺陷是：不能像超级电容器那样快速充电，性能会随时间而降低。据美国物理学家组织网10月9日报道，现在，美国科学家研制出了拥有三维纳米结构电极的电池，充放电可在几秒内完成，而且快速充放电不会影响电池的能量密度。最新成果有望彻底改变电池的设计方法。

    伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校材料科学和工程教授保尔·保恩同硕士生于新迪（音译）、博士后研究员张惠刚（音译）一起，将一个薄膜包裹成三维纳米结构的电极，让其能获得较大的有效容积和电流。演示结果表明，拥有这种电极的电池能在几秒钟内快速地充电和放电，效率是块状电极电池的100倍。这意味着，当将其用于电动汽车内时，其充电所需的时间可能和在加油站加油一样；更重要的是，快速充放电对电池的能量密度（在一定空间或质量物质中储存能量的大小，要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题）毫无影响。

    保恩表示：“这种能快速充放电的新电池除了能在汽车领域大展拳脚外，也可以用于医药设备、激光器内和军事领域。”

    科学家们首先将细小的圆球涂在一个表面上，随后将圆球紧紧包裹成一个网格状的结构，圆球之间的空隙和圆球四周都填满金属；接着将圆球熔化，得到一个类似海绵的三维支架；然后用电解法对三维支架的表面进行蚀刻，从而让海绵结构内的微孔增大，制造出了一个开放的框架结构，最后再将活性物质薄膜涂在该框架上。

    研究人员指出：“结果，我们得到了一个性能优异的电极结构，其相互之间的联系很少，因此锂离子能快速移动；活性物质薄膜也使锂离子能很快扩散；同时，金属材料让其导电性更好。”

    保恩说：“最新研究与任何特定的电池类型无关，而是一种新的电池设计范式——用三维结构来增强电池的性能。”

    这项研究获得了美国陆军研究实验室和美国能源部的支持。

    今年年初，张惠刚等人在《自然·纳米技术》杂志上指出，他们研发出了一种让电池快速充电的新方法，适用于锂离子和镍基电池。该方法着眼于减少离子到达电极间距离。结果显示，以镍氢电池为例，电极能在2.7秒内充满75%的电容量；20秒内充到90%，这一速度经过100次充放电循环后仍维持稳定。一个全尺寸的锂电池的电极能在1分钟充到75%；2分钟内充到90%。