专栏名称: 热辐射与微纳光子学
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研究进展:电化学储能的纳米技术 | Nature Nanotechnology编辑语

热辐射与微纳光子学  · 公众号  ·  · 2023-10-17 09:22

正文

在所有技术准备水平上,利用纳米级方法以开发材料和设计实验,有利于电池、超级电容器和混合器件的研究。

最初,纳米技术概念是实现材料一次控制一个原子的方法,几十年来,纳米技术的范围不断扩大。创造“纳米技术nanotechnology”一词的Norio Taniguchi,将其设想为“基于一个原子或一个分子,对材料进行分离、固化和变形的过程” 1。这一解释,促发了显微学领域的显著进步。然而,纳米尺度物体(例如量子点或碳纳米管)的发现,已经超越了这一定义,这些物体的材料性质与尺寸有关。2015年ACS Nano一篇社论,很好地讨论了这一范式转变2。



如今,纳米技术可以说是一种新的研究范式。其中,为颠覆性材料特性和/或器件性能的设计和工程,纳米级尺度的理解提供了新信息。在电化学储能领域,这种研究方法是非常有意义的,因为电化学储能研究领域,特别易受制于纳米尺度材料研究的影响。事实上,纳米技术已经产生了切实的研究成果,并解决了早期实验室原型(技术成熟度technology readiness levels,TRL1-3)问题3,4。


简单例子之一是磷酸铁锂LiFePO4(LFP,锂离子电池电极材料)。最初,微米级磷酸铁锂LFP是由John Goodenough及其合作者于1997合成5,并提出作为非水基锂离子存储的正极活性材料5。然而,由于磷酸铁锂LFP的电子导电性能不高,最初的电极配方使用了25%电子传导碳添加剂。2000年至2010年间,研究人员致力于通过引入纳米碳涂层6和减小颗粒尺寸7,以提高磷酸铁锂LFP电化学储能性能,从而充分利用高电流速率下,磷酸铁锂LFP锂离子存储特性。这些以纳米技术为主导的进步,技术成熟度TRL 从1到4,为开发更高技术成熟度TRL的大型磷酸铁锂LFP锂离子电池铺平了道路。电动汽车公司比亚迪(BYD)也采用了这一解决方案,以提高包装效率并减少小模块的使用。


另一个与工业相关的纳米技术进步是,2000年代后半期开发的碳化钛TiC衍生纳米多孔碳材料8。Skeleton Technologies(一家在技术成熟度TRLs≥5下运行的商业超级电容器制造商)采用这些高效非法拉第电荷存储过程的碳材料,生产了高功率电池,与当时商业超级电容器设备相比,其能量密度增加了72%。


其他历史相关实例,也有助于开发锂离子电池,并将其作为商业产品投放市场的纳米技术应用。诸多基础研究是非水基液体电解质溶液组分(例如,碳酸亚乙酯作为溶剂或采用氟化无机盐),及其在电池中,电极-电解质界面形成的界面(例如,固体电解质界面)影响10。


界面和中间相的基本理解,尤为重要。基于原位或操作测量,低技术成熟度TRL研究工作揭示了机制上的新见解11,并为设计性能更好的电池组件提供信息。


然而,只有考虑到代表实际电池条件的定制实验设计,才有可能从这些测量和分析中转移知识。在识别特定电池失效机制的原因和寻找可能的解决方案。以规避或克服该问题方面,这种方法特别有价值。这些例子证明了,在任何技术成熟度TRL下,理解纳米材料性质的重要性,特别是当发生强烈的材料调控,以生产器件时。当材料经历电极配制、压延、电解质填充、电池组装和形成过程时,后一方面与电化学能量存储特别相关。


为此,纳米技术支持的方法,将继续提升并改善电化学储能器件的研究活动。在任何技术成熟度technology readiness levels,TRL中,自然纳米技术Nature Nanotechnology期刊 ,将永远是“纳米”方面研究核心的进步之家。







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