從手機(jī)到電動(dòng)汽車，鋰離子電池目前已成為主要的能源存儲(chǔ)設(shè)備。現(xiàn)在，研究表明如何讓他們更加環(huán)保并獲得更多的權(quán)力。通過使用碳納米管，來自美國克萊姆森大學(xué)的印度科學(xué)家小組消除了傳統(tǒng)電池中對(duì)有毒有機(jī)溶劑的需求。

“傳統(tǒng)上，鋰離子電池電極是使用稱為N-甲基吡咯烷酮或NMP的有機(jī)溶劑制造的。使用NMP是因?yàn)樗c涂有電池材料的鋁箔高度兼容，“ACS歐米茄發(fā)表的第一作者LakshmanVentrapragada解釋說。“NMP價(jià)格昂貴且有毒。實(shí)際上，每個(gè)制造單位通常使用花費(fèi)超過一百萬美元的溶劑回收系統(tǒng)來回收該NMP。我們的目標(biāo)是用水取代NMP并實(shí)現(xiàn)更好的電池性能。”

盡管之前嘗試過使用水作為溶劑，但其高表面張力常常導(dǎo)致電池電極在干燥時(shí)與底層鋁箔分離。該團(tuán)隊(duì)使用垂直排列的碳納米管森林（原子厚碳卷成圓柱體）涂覆鋁箔以實(shí)現(xiàn)海綿狀毛細(xì)管作用。

納米管森林

“碳納米管森林只有10-30微米長，可以垂直排列在鋁上。我們能夠使用特殊的卷對(duì)卷化學(xué)氣相沉積工藝在低溫下直接在鋁箔上生長碳納米管，“克萊姆森大學(xué)物理學(xué)助理教授RamakrishnaPodila教授和相應(yīng)的論文作者解釋說。“納米管也可以噴涂在鋁上。這些納米管涂層鋁箔可以直接集成到現(xiàn)有的鋰離子電池制造單元中，因?yàn)槌擞盟鎿Q溶劑外，它們不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行任何更改”。

研究小組隨后使用一種稱為磷酸鐵鋰或LFP的鋰活性材料與粘合劑一起在水中混合，以制成碳納米管涂覆的鋁箔上的電池電極。粘合劑幫助活性物質(zhì)牢固地粘附在下面的箔上。

電池的能量和功率

在充電過程中，鋰離子電池在一側(cè)傳輸來自鋰活性材料的鋰離子，將其捕獲在另一側(cè)的石墨電極中。在放電過程中，鋰離子會(huì)離開石墨并返回鋰離子活性材料供電設(shè)備，如手機(jī)或筆記本電腦。電池的性能是根據(jù)兩件事情來評(píng)定的：能量和能量。

能量正比于電池可以承受的總電量，即捕獲的鋰離子的量，而功率與鋰離子可以在電池中傳輸?shù)乃俣扔嘘P(guān)。小時(shí)的需要是高功率和高能量的電池。

高放電率

在傳統(tǒng)鋰離子電池中，高功率快速充電會(huì)加熱電極并破壞聚合物粘合劑，從而幫助鋰活性材料粘附到鋁箔上。這是電池故障中最常見的模式之一，不能在不損害電池總能量的情況下實(shí)現(xiàn)高功率。但該團(tuán)隊(duì)制造的新電池能夠承受高能量（600mA/g或在15分鐘內(nèi)完全充滿500次），并且能量密度至少高出35-50％。

“我們生產(chǎn)納米管的可擴(kuò)展方法大大降低了成本。此外，使用水使其更加環(huán)保。因?yàn)樘己茌p，所以也不會(huì)增加電池的質(zhì)量，“Podila補(bǔ)充說，”我們希望這將導(dǎo)致未來更便宜和更好的鋰離子電池。”