電極“軟著陸”技術？提高電池壽命和容量的新利器

材料牛注：眾所周知，混合動力電池比傳統的電池擁有更快的充放電速度，同時擁有更好的電容量和使用穩定性。近日，Nature Communications刊登的一項最新的電池研究文章，這篇文章中展示了一種被稱作“離子軟著陸”的電池高精度技術，這種技術可以用于生產電極，這種電池能比普通電池多儲存三分之一的能量并且工作壽命提升2倍。此外，這種技術操作簡單，為制造成本更低廉、性能更好、使用壽命更長的可充電電池提供了技術支持。

“這是人類第一次使用‘離子軟著陸’技術來生產功能性電池。”來自美國能源部西北太平洋國家實驗室的研究員Julia Laskin針對這一發現表示道。“軟著陸”技術的優點是可以建立一個具體的電極接觸面，而實現的步驟僅僅是將所需的分子從原始的電池混合物成分中分離出來。“這項技術可以幫我們解開目前關于能量存儲技術，關于如何結合普通鋰充電電池和高密度的超級電容來生產混合動力電池的難題。”

混合電極的種類之謎

目前，主流的電池仍然是鋰離子電池，盡管鋰離子充電電池使用的是小型電子設備的釋放技術，這項技術基本原理和混合動力汽車使用汽油進行加速的道理是一樣的，需要緩慢的釋放能量，但是缺點是需要長時間的充電，這點也和電動汽車比起燃油汽車需要更長的時間來補充“能量”道理一樣。

一種理想的思路是生產一種混合動力電池，這種電池結合了可存儲大量電荷的小型鋰電池和快速充電電容的特點。美國能源部西北太平洋國家實驗室的化學家們則希望能夠通過這項稱作“離子軟著陸”的技術來生產這種混合動力電池，這項技術在準備階段需要一系列復雜的操作來控制原材料。

為了找到答案，Laskin和他的同事們創造了一種混合電極。他們在超級電容的碳納米管電極上噴涂了聚甲醛、多金屬氧酸鹽等化學物質。噴涂均勻的聚甲醛包括正負極離子，但是一段時間后，他們只在混合電極的中僅僅找到了負離子。傳統的制備技術由于設計缺陷，需要將正負極離子均噴涂在碳納米管上。然而，“離子軟著陸”技術可以將電荷分開并且僅僅將負離子噴涂在電極表面。之后 Laskin和她的團隊考慮正離子會干擾混合電極的性能么？

而為了找到這個問題的答案，研究團隊做了一個厘米級的方形聚甲醛碳納米管混合電極，放在一個專門配制的電解質膜之間進行檢測。“我們設計了一種可以分離電極同時允許離子導電的電解質膜。”Prabhakaran說道，“大部分的人知道電解質可以作為液態在電池中流動。而我們的目標是將其制成固態的凝膠。”試驗中，他們測試了這個微型混合電池可以儲存多少能量以及在其報廢之前可以實現多少個充放電循環。在比較“軟著陸”技術與傳統技術（電沉積技術）制成的混合動力電池的性能之后，實驗團隊最終選擇使用一種含有帶正電荷的鈉離子的聚甲醛。

聚甲醛的奇效

該團隊發現，通過“軟著陸技術”制得的聚甲醛混合電極具有很強的儲能能力。這個電極比未經處理的碳納米管超級電容多存儲三分之一的能量（以最低限的儲存為基準）。與此同時，軟著陸技術制備混合電池比起傳統的電沉積技術節約了大約27%的能量。

為了保障能找到最合適的聚甲醛的濃度，他們按照不同的聚甲醛濃度進行了分組對照試驗。之后針對不同的電極制備方法進行了橫向的比較，實驗結果表明使用“軟著陸技術”在得到儲電量最高并且使用最少的聚甲醛。這進一步說明了電極的活性物質是十分有效的。作為比較，傳統的鋰離子聚甲醛電極要達到同樣的儲電效果需要兩倍的聚甲醛材料。

傳統方法制成的設備雖然需要更多的聚甲醛，但是研究團隊仍然進一步探究了這些設備的優勢，是否傳統方法制成的電極比起“軟著陸”制成的電極壽命更長？為了進一步探究，實驗團隊對混合電極進行了1000次的充放電試驗并檢測這些電極可以使用多長時間。

和他們之前測試的結果類似，“軟著陸”技術設備表現最優，在經過1000次充放電循環后僅僅損失了一小部分電容量。單獨的超級電容排在第二名，而鈉離子的傳統設備損失了“軟著陸”設備兩倍的電容量。實驗結果說明，“軟著陸”技術制成的電極壽命可能是其他方法制成電極壽命的兩倍左右。

大功告成

在得到上述試驗結論外，該團隊對于在碳納米管電容器中加入了如此微量的聚甲醛竟能產生如此大的差異感到驚奇。而且，經過稱量聚甲醛的質量僅僅只有碳納米管的五分之一。“還有一個實驗現象是極少量的聚甲醛可以使得電容達到最大值，之后會發生顯著的降低。”Laskin說道“不過這么少的聚甲醛對于一個電容具有如此大的貢獻仍然讓我們感到意外”。因此他們決定使用超級顯微鏡來分別觀察比較“軟著陸”技術和鈉離子傳統技術制成的電極結構。

在顯微鏡下他們發現“軟著陸”技術直接將大量的聚甲醛點綴在碳納米管上，但是傳統的方法則是將大量的塊狀聚甲醛覆蓋在納米管表面，導致聚集起來有面積比“軟著陸”技術大十倍左右。之后研究人員將聚甲醛中的正離子移除并保證負離子分布在材料的表面。因為只要正離子在鈉表面殘留，聚甲醛和鈉離子會均勻的分布在晶體材料的表面。這種結構會阻止聚甲醛在電池中發揮作用并且減少電容量。實驗團隊放大倍數并且仔細觀察鏡頭中的納米管，發現傳統電極上仍然覆蓋著大量聚甲醛。然而，“軟著陸”技術產生的電極和碳納米管電容器則并沒有這種結構。未來的研究計劃中，團隊想要探索如何使在碳材料中噴涂更多的聚甲醛，從而進一步增加電容量和壽命。

原文鏈接：Cleaning up hybrid battery electrodes improves capacity and lifespan

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材