如果你在智能手機的電池里面加入量子點——比人類的頭發絲細10,000倍的納米晶體，它會在30秒內充滿，但是這種效應只能持續幾次充放電循環。
 

比人類的頭發絲細10,000倍的納米晶體
 

    范德堡大學畢業生Anna Douglas拿著一個她用黃鐵礦做出的數百萬“愚金”量子點修飾過的電池。

    但是，范德堡大學的一個研究團隊在11月11號的ACS Nano期刊中聲稱他們已經找到了克服這個問題的方法：用黃鐵礦制作出“愚金”量子點加入電池，可以使電池既能更快的充電，又能實現幾十次的充放電循環。

    這個團隊以機械工程院的助教Cary Pint為首，由畢業生Anna Douglas帶領。之所以對黃鐵礦感興趣，是因為它是地球表面最豐富的材料。它最原始的形成方式是作為煤形成時產生的副產物，而它又是如此的便宜，被應用于一次性的商業化鋰電池中。

    盡管他們給了我們希望，但研究者們還是在怎么獲得納米粒子來提高電池性能方面遇到了困難。

    Pint說：“研究人員已經證明納米材料可以顯著改善電池的性能，但是，這里還有一個限制，當粒子尺寸很小的時候，通常10納米（40-50個原子間距）以下，納米粒子就會跟電解質發生化學反應，因而，電池只能充放電幾次。所以，這種尺寸分布的粒子不能應用于商業化的鋰離子電池中。”

    在Douglas專業合成納米粒子技能的幫助下，這個團隊開始探索這個超小型機制。他們把數以百萬的不同尺寸的愚金量子點負載到像手表，遠程車鑰匙，LED手電筒上用的那些標準鋰離子電池上。當他們把4.5納米的量子點負載到鋰電池里時，獲得了巨大成功，它既大幅提高了電池的循環壽命，又改善了電池的性能。

    研究者發現，黃鐵礦通過轉化為鐵和硫化鋰（或硫化鈉）這種獨特的方式來存儲能量，進而使電池性能大大提高。Douglas解釋道：“這與傳統鋰電池的儲能方式完全不同，傳統鋰電池在充電時會有一種物質進入，而在放電時該物質又會與電池分離，整個過程電池中存儲鋰離子的材料都沒有發生變化。”

    按Pint的理解，“你可以把它想象成香草蛋糕。傳統電池中含鋰和鈉的材料就像插入蛋糕中的巧克力棒，然后再把巧克力棒完整的拔出來。而我們正在研究的這種材料，你把巧克力棒插進香草蛋糕它就變成了香草巧克力蛋糕。”

    這樣一來，禁止在電池使用超小納米粒子的那些規則都不再適用。事實上，超小的納米粒子性能更好。

    Douglas解釋說：“與把鋰或鈉離子插入納米粒子不同，把能量存進黃鐵礦要求鐵原子的擴散作用。不幸的是，鐵原子擴散緩慢，要求（粒子）尺寸小于鐵原子的擴散長度，唯一符合要求的就是超小納米粒子。”

    那些超小納米粒子的尺寸都足以讓鐵原子移動到顆粒表面，同時又讓鈉或鋰在黃鐵礦內部與硫反應，這是該團隊的一個重大發現。他們證明，由于鐵原子在粒子較大時無法穿過黃鐵礦，這種效應不復存在，這限制了他們的儲能性能。

    Pint認為了解化學存儲機制和它們對納米尺寸的依賴是至關重要的，能使電池性能的提高符合摩爾定律，并順利過渡到電動汽車。

    Pint說：“未來能在短時間內充滿并能持續幾天放電的電池不可能只利用納米技術，他將受益于新工具的開發，使我們能設計支持持續數萬次充放電循環的納米結構，具有媲美汽油的能量存儲容量，我們的研究朝著這個方向邁出了一大步。”

責任編輯：班英飛

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