對於採用充電電池的使用者來說,最惱人的問題就是充電的時間。這對行動裝置用戶來說極其不便,同時也是電動車緩慢被接受的原因之一。

美國賓州卓克索大學(Drexel University)的研究人員開發出一種採用2D過渡金屬碳化物(MXene)的新穎電池設計,其「第三維」(3D)只有幾個原子厚。以MXene打造電極的電池提供了在幾秒內吸收完全充電的可能性,再也不必花費幾小時充電了。

由Drexel University教授Yury Gogotsi帶領的研究團隊在最近的《自然能源》(Nature Energy)發表其研究細節。

基於MXene的電極架構提供了兩種非常重要的特性。

首先,當電池充電時,帶電荷的離子注入其中,尋找儲存位置。由於MXene具有巨大孔隙或開口較多的特性,使得這一流程更快更容易,帶電荷的離子可以更快速地進入其電極上的「埠」。當電池處於供電而非接收電力時,這就是儲存電量作為備用之處。

據這篇研究論文的第一作者Maria Lukatskaya介紹,「理想的電極架構應該是讓離子像行駛多線道的高速公路一樣流動至「埠」,而非經由單行道。我們的巨大孔隙電極設計達到了這個目標,因而能夠在幾秒內或以更快的速度實現快速充電。」

第二個特性是,採用MXene,就能在指定的區域內容納更多的埠或氧化還原點。其結果是基於MXene電極的電池可為特定的尺寸與重量儲存更多電荷。

如同在Inverse.com中的文章所說的,目前大多數的電池都使用化學能量儲存。而如同圖中所示,MXene可被描述為一種「微型瑞士乳酪」(microscopic Swiss cheese),其上具有許多離子的儲存地點。因此,水凝膠的應用導致更多這些氧化還原點的產生,提高了電池的儲存容量。

20170720_MXene_NT02 MXene的原子結構(來源:Drexel University)

MXene得以將超級電容器的快速充電和放電特性以及電池的優質儲存容量結合起來。如同Yury Gogotsi所說的,「這篇研究論文反駁了廣泛的誤解:電池和偽電容器(pseudocapacitor)所用的化學電荷儲存比雙層電容器(即超級電容器)所用的實體儲存容量更低得多。」

正如Inverse文中引用特斯拉(Tesla)執行長Elon Musk所說的:「現有的電池技術真的很糟糕!」電池技術一開始就存在許多錯誤,而且有許多新的想法最後都無法擴展,因而難以從實驗室中走出來。由於電池技術是在許多領域尋求進展之路的瓶頸,因此,我們都期待這項創新最終能克服障礙,實現高儲存容量和超快速充電的願景。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Are conductive electrodes the key to fast-charging batteries?,by Gary Elinoff, contributing writer)