想象一下，您手机中相同的可充电电池可以为需要10倍能量的设备供电。 这种可能性可能比您想象的更接近现实。
麻省理工学院研究人员制造的一种电池展示了大约三分之一的充电容量增加，并且就其尺寸而言，功率输出比传统可充电锂电池的预期高出10倍。 研究结果于昨天发表在《自然纳米技术》杂志上。
该研究团队由材料科学与机械工程副教授杨劭 horn 和麻省理工学院化学工程教授 Paula Hammond 领导，他们通过创造一种全新的电极实现了这一目标——在本例中，通过修改传统电池的正极，即阴极。
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该合作始于研究生 Seung Woo Lee，他研究燃料电池，由杨劭 horn 和 Hammond 共同指导。 Lee 今年春天完成了他的博士论文答辩。
该团队使用市售的碳纳米管——中空圆柱体，比人类头发细50000倍，但由碳原子组成——完全用分层铺设的纳米管制造了阴极。
纳米管的大表面积使其比其他类型的碳（如石墨）存储更多的电荷，但以前的电池制造方法往往会掩盖这些表面。
使用暴露的表面可以存储更多的电荷——增加容量——同时也可以让这些电荷更容易迁移——增加功率。
这项研究的发现挑战了关于电池阴极可以使用哪些材料的传统观念。 它还激发了关于如此强大的电池可以用于何处的讨论。
迄今为止的小规模实验
增加的功率输出也使其成为一个出色的电容器，可以有效地存储电荷并在需要时精确地传递能量。 杨劭 horn 说，他们的工作可能“导致一种设备，其性能可以桥接电池和电化学电容器”。
到目前为止，该小组为这些实验制造的最厚的阴极只有 3 微米——千分之三毫米。 与电极厚度约为 100 至 200 微米的传统锂离子电池相比，这非常小。
杨劭 horn 说，就目前的形态而言，他们的阴极“可能非常适合微电子设备”。
但是，这些电池电容器在许多其他应用中也很有用，例如应急电源，“汽车、卡车和需要多次启停循环的机械中的能量捕获和动力辅助”，杨劭 horn 说。 成功扩大这种设计可以大大降低未来锂离子电池的低效率。
然而，在展望这项新技术的未来时，杨劭 horn 更倾向于谨慎，称他们才刚刚开始了解所涉及的潜在化学原理。
杨劭 horn 说：“需要进一步的工作”才能证明功率和能量性能在更厚的电极中得以保持。 这项研究的关键下一步是展示厚度为 50 微米的电极——比他们为实验制造的电极大 10 倍以上。
下一阶段是扩大规模
这样做将使研究人员能够测试碳纳米管的电气特性是否可以成功地扩展到越来越大的厚度。 杨劭 horn 说，潜在地，“厚度没有限制”。 但为了做到这一点，Hammond 在生物材料方面的专业知识将至关重要。
发表的论文中描述的用于制造 3 微米厚碳纳米管电极的逐层制造技术是一个非常耗时的过程。 对于每一层纳米管，都必须将样品浸入充满纳米管的溶液中。
然后，浸没在溶液中的样品必须放置 15 到 20 分钟，让重力缓慢地将纳米管下拉通过液体并到达样品表面。 为了堆积足够的层数以达到 3 微米的厚度，必须重复此过程约 400 次。
为了将分层过程提高到合理的、商业上可行的速度，Hammond 正在采用她开发的用于生产聚合物材料层的自动喷涂技术。
她说：“喷涂方法快 40 到 100 倍，”铺设每一层新的纳米管只需几秒钟，而不是通常需要的 15 到 20 分钟。 真正的考验将是测试更厚的电极后到来。
杨劭 horn 小组的其他电池研究已在其他ClimateWire报道中重点介绍。
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