據(jù)外媒報(bào)道，斯科爾科沃理工學(xué)院（Skoltech）的科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)研究，將多層堿金屬引入碳負(fù)極，這項(xiàng)技術(shù)有望徹底改變儲能市場，使電動(dòng)汽車能夠在幾分鐘內(nèi)充滿電，并為綠色能源提供穩(wěn)定、安全且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的存儲系統(tǒng)。
圖片來源： Skoltech
相關(guān)論文發(fā)表在期刊《Small》上，闡明了在碳負(fù)極材料中設(shè)計(jì)鋰、鈉和鉀等堿金屬多層結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展。
多層結(jié)構(gòu)如何改善電池性能
多年來，人們一直認(rèn)為離子在電池的碳材料（例如石墨）中只能形成單原子層。2018年，研究人員使用高精度電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了一種新的結(jié)構(gòu)：在兩層石墨烯之間形成了超致密的多原子層鋰。
這項(xiàng)開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)催生了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，表明這種致密的“夾層”結(jié)構(gòu)不僅可以由鋰構(gòu)成，還可以由其他更容易獲得的金屬（例如鈉）構(gòu)成。這些多層結(jié)構(gòu)可以嵌入各種形式的碳材料中，包括有序石墨烯、無序硬碳和定制碳球。
這種新范式具有多項(xiàng)優(yōu)勢。首先，將多個(gè)金屬層而非僅僅一層嵌入陽極中，可以顯著提高儲能容量。根據(jù)理論計(jì)算，包含四層鋰的石墨烯陽極的容量可高達(dá)目前最先進(jìn)的石墨陽極的三倍。
其次，專為碳基體設(shè)計(jì)的納米通道和孔隙可作為離子的“高速公路”。這一概念已在硬碳基鈉離子電池中得到驗(yàn)證，該電池在經(jīng)過3000次超快速充電循環(huán)后仍能保持83%的容量。
安全同樣至關(guān)重要。針狀金屬枝晶的生長是電池起火的主要原因。這項(xiàng)新技術(shù)通過使金屬在穩(wěn)定的碳框架內(nèi)沉積和溶解，而不是危險(xiǎn)地沉積在其表面，從而解決了這個(gè)問題，消除了短路的風(fēng)險(xiǎn)。
“我們的研究在能源材料科學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，”該論文的主要作者、Skoltech能源轉(zhuǎn)型中心高級研究科學(xué)家Ilya Chepkasov評論道。
設(shè)計(jì)更安全、更高效的電池
“我們系統(tǒng)地整理了相關(guān)證據(jù)，證明自然界允許我們將離子‘封裝’到碳材料中的密度遠(yuǎn)高于此前人們的認(rèn)知。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)碳載體，例如在石墨中創(chuàng)建原子通道、控制硬碳中的納米孔尺寸，或在碳球中引入開放的中孔通道。這些結(jié)構(gòu)都能引導(dǎo)離子沿最佳路徑移動(dòng)，從而形成穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)卓越的性能?！?Ilya Chepkasov表示。
該團(tuán)隊(duì)的研究成果為從實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)到工業(yè)生產(chǎn)勾勒出了一條清晰的路徑。目前，一些方法，例如利用氨進(jìn)行分子隧道化處理來改性石墨，以及利用生物質(zhì)合成復(fù)雜的硬碳材料，已經(jīng)可以用于制造功能性負(fù)極原型。然而，這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用將取決于能否克服一系列相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)：
開發(fā)先進(jìn)的模擬方法，包括基于人工智能的工具，以準(zhǔn)確預(yù)測材料特性。
改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對工作電池內(nèi)部原子級過程的實(shí)時(shí)觀察。
通過擴(kuò)大規(guī)模和降低成本來優(yōu)化合成工藝。
“我們已經(jīng)了解了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)背后的物理原理，該領(lǐng)域的科學(xué)家們也已經(jīng)準(zhǔn)備好了首批工作樣品，”該研究的合著者、Skoltech能源轉(zhuǎn)型中心教授Alexander Kvashnin說道?！霸谙乱浑A段，我們需要從獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室樣品過渡到經(jīng)濟(jì)高效、可靠的工業(yè)化生產(chǎn)。將計(jì)算科學(xué)、高級分析、人工智能和化學(xué)合成相結(jié)合，可以為將這項(xiàng)突破性研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品提供一套工具，從而塑造能源的未來?！?/p>
將多層堿金屬引入碳負(fù)極的研究對于克服現(xiàn)代電池技術(shù)的關(guān)鍵局限性至關(guān)重要。這些研究有望帶來新一代儲能設(shè)備，具有高容量、超快充電、更高的安全性和更低的成本。
