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(dǎo)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(shù)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(shè)備。可惜的是，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(xué)的工程學(xué)研究員們采用了MXene材料，結(jié)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(xué)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(dǎo)電性，為未來研發(fā)超快速儲能設(shè)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(xué)材料科學(xué)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(dǎo)電的碳及金屬填充物構(gòu)成，而氧化物相當(dāng)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的。

MXene材質(zhì)電極的弊端及改進

盡管MXene的導(dǎo)電性相當(dāng)出色，但其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，使鋰離子能自由移動。

Yury Gogotsi表示：“理想的電極架構(gòu)是多通道結(jié)構(gòu)（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(shè)計恰好實現(xiàn)了該目標(biāo)，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(xué)表示，該款電池材料的研發(fā)應(yīng)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(shù)難題。

Gogotsi表示：“若未來該款低維導(dǎo)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(dǎo)電性。但研究團隊也承認(rèn)，該電極材料及相關(guān)技術(shù)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(yīng)用到車輛及手機中，將徹底顛覆當(dāng)前所用的電池。