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法国研制出高能锂离子电池电极 |
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| http://cn.newmaker.com
6/24/2006 9:27:00 AM
中国科技信息网
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 据《技术评论》网站2006年6月22日报道，纳米构造的电极以及活性材料（如锂、镍以及锰等材料）的使用将使得电池的体积大为缩小，并应用到便携电子设备和电动车辆上。法国研究人员已经制造出锂离子电池的电极，不论从重量还是容量来看，其蓄能表现都数倍于传统的电极。这种新的锂离子电池的电极可以帮助使得手机或笔记本电脑的体积大为缩减，而且通过一次充电可以使这些电子设备拥有更长的电池续航能力。更有甚者，用于制造这些电极的这一纳米技术方法为新材料的构造提供了一种简单而廉价的方式，可以用来开发出下一代的电池，用于插入式混合动力车和全电能交通工具。
法国保尔·萨巴提埃大学（Université Paul Sabatier）的一名化学教授帕特里斯·西蒙，他同自己所在大学以及法国亚眠大学（Université Picardie Jules Verne）的其他一些研究人员共同参与了此项研究工作。帕特里斯·西蒙教授说，这一研究的主要进步在于，研发出了一种廉价而简单的方法来组织那些微小的粒子进入早已准备好的纳米构造中。
在传统的电池电极内，离子和电子流入和流出这些活性材料的速度很快，从而导致了快速的充电和放电现象，而且只有当这些材料被一层十分稀薄的腹膜包裹才能出现快速的充、放电。然而，也因为腹膜的使用，限制了电池中所能植入的活性材料的使用数量。为了研制出高能电池，工程师们通常增加这些活性材料的厚度，牺牲掉了快速充电和高能放电以换取更多的能量储存。
这一新的纳米构造使得提供强大的电能和大量的能量储存成为可能。活性材料被一层腹膜包裹并放入到由铜膜卷成的铜纳米杆中。腹膜使得活性材料上的离子和电子能够快速运动——提供能量。与此同时，纳米杆林的大面积表面区域使得将更多的活性材料包裹进电极成为可能，这比传统的腹膜包裹所允许的要多的多，因此也增加了能量的储存。纳米杆的使用为电极内每一平方厘米的区域提供了50平方厘米的表面面积。
此外，由于离子和电子在腹膜上的高流动性，使得使用一种新的活性材料和一种新的化学反应方式制造锂离子电池成为可能。这一新的化学方法十分吸引人，因为它同目前使用的化学方法比起拉可以容纳更多的锂离子，以及相应的电子等，因此有潜力储存更多的能量。
这些新的电极材料，将被用作锂离子电池中的负电极，同时显示了其储存能量中的高性能，特别是在充放许多次以后更是如此，这也意味着这些电极的可用寿命十分长，西蒙说，但更多的拓展性测试还将用来进一步确定这种猜想。
在《自然材料》杂志网络版上描述的这一进步，目前只适用于电池的负极材料，对于目前所使用的电池性能的真正提升还有赖于正极材料性能的同步提升。（参见“电池突破”一文中研究人员所描述的关于可能的负极材料候选名单。）西蒙表示，对这一技术的首次应用很可能落在很小的电池上。这一技术对于远程传感器或医学移植也将十分有用。进一步的应用将等到研究人员能够制造出更大的电极时才能不断扩大，同时对他们使用的活性材料进行最优化。
所报告的试验中使用的材料的能源效率并不是很高——其中充电后20～25％的能量在放电后并不能得到恢复。麻绳理工学院的材料科学和工程学教授，杰布懒德·希德说，这种能量损失在手机电池上并不是一个大问题。“在手机的整个使用寿命中，你可能只花费了数便士用于手机充电。”但对于大型的能源设备来说，如电动汽车，这种能效的缺乏将是十分昂贵的，特别是在电价很高的情况下。基于这个原因，研究人员测试了不同的高能活性材料，将它们应用到纳米构造电极中，从中选出一种克服这种能效问题的材料。
法国的研究人员并不是唯一求助于使用纳米技术来改善电池的性能的。至少还有两家公司，来自迈阿密沃特镇的A123系统公司以及内华达州里诺市的阿尔塔·纳诺（Altair Nano）公司已经制造出了包含用纳米构造活性材料电极的电池，以及世界上还有许多的研究组织目前正在开发这种电极。西蒙把他的小组使用的方法描述为，在制造纳米构造方面比其他的方法都要简单和廉价。同时这种方法也十分通用，在不同种类的活性材料上都能得到应用。
在电池研究领域还有一个十分重要的趋势：将平面的电极材料腹膜向负极材料和正极材料过渡，并使其互相贯通——一种三维构造可以改善离子和电子的流动性，从而增加其电池能量。西蒙表示，法国研究小组目前还致力于研究一个三维电池，这个电池将把负电极同高能正电极相结合。
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