电极“软着陆”技术？提高电池寿命和容量的新利器

材料牛注：众所周知，混合动力电池比传统的电池拥有更快的充放电速度，同时拥有更好的电容量和使用稳定性。近日，Nature Communications刊登的一项最新的电池研究文章，这篇文章中展示了一种被称作“离子软着陆”的电池高精度技术，这种技术可以用于生产电极，这种电池能比普通电池多储存三分之一的能量并且工作寿命提升2倍。此外，这种技术操作简单，为制造成本更低廉、性能更好、使用寿命更长的可充电电池提供了技术支持。

“这是人类第一次使用‘离子软着陆’技术来生产功能性电池。”来自美国能源部西北太平洋国家实验室的研究员Julia Laskin针对这一发现表示道。“软着陆”技术的优点是可以建立一个具体的电极接触面，而实现的步骤仅仅是将所需的分子从原始的电池混合物成分中分离出来。“这项技术可以帮我们解开目前关于能量存储技术，关于如何结合普通锂充电电池和高密度的超级电容来生产混合动力电池的难题。”

混合电极的种类之谜

目前，主流的电池仍然是锂离子电池，尽管锂离子充电电池使用的是小型电子设备的释放技术，这项技术基本原理和混合动力汽车使用汽油进行加速的道理是一样的，需要缓慢的释放能量，但是缺点是需要长时间的充电，这点也和电动汽车比起燃油汽车需要更长的时间来补充“能量”道理一样。

一种理想的思路是生产一种混合动力电池，这种电池结合了可存储大量电荷的小型锂电池和快速充电电容的特点。美国能源部西北太平洋国家实验室的化学家们则希望能够通过这项称作“离子软着陆”的技术来生产这种混合动力电池，这项技术在准备阶段需要一系列复杂的操作来控制原材料。

为了找到答案，Laskin和他的同事们创造了一种混合电极。他们在超级电容的碳纳米管电极上喷涂了聚甲醛、多金属氧酸盐等化学物质。喷涂均匀的聚甲醛包括正负极离子，但是一段时间后，他们只在混合电极的中仅仅找到了负离子。传统的制备技术由于设计缺陷，需要将正负极离子均喷涂在碳纳米管上。然而，“离子软着陆”技术可以将电荷分开并且仅仅将负离子喷涂在电极表面。之后 Laskin和她的团队考虑正离子会干扰混合电极的性能么？

而为了找到这个问题的答案，研究团队做了一个厘米级的方形聚甲醛碳纳米管混合电极，放在一个专门配制的电解质膜之间进行检测。“我们设计了一种可以分离电极同时允许离子导电的电解质膜。”Prabhakaran说道，“大部分的人知道电解质可以作为液态在电池中流动。而我们的目标是将其制成固态的凝胶。”试验中，他们测试了这个微型混合电池可以储存多少能量以及在其报废之前可以实现多少个充放电循环。在比较“软着陆”技术与传统技术（电沉积技术）制成的混合动力电池的性能之后，实验团队最终选择使用一种含有带正电荷的钠离子的聚甲醛。

聚甲醛的奇效

该团队发现，通过“软着陆技术”制得的聚甲醛混合电极具有很强的储能能力。这个电极比未经处理的碳纳米管超级电容多存储三分之一的能量（以最低限的储存为基准）。与此同时，软着陆技术制备混合电池比起传统的电沉积技术节约了大约27%的能量。

为了保障能找到最合适的聚甲醛的浓度，他们按照不同的聚甲醛浓度进行了分组对照试验。之后针对不同的电极制备方法进行了横向的比较，实验结果表明使用“软着陆技术”在得到储电量最高并且使用最少的聚甲醛。这进一步说明了电极的活性物质是十分有效的。作为比较，传统的锂离子聚甲醛电极要达到同样的储电效果需要两倍的聚甲醛材料。

传统方法制成的设备虽然需要更多的聚甲醛，但是研究团队仍然进一步探究了这些设备的优势，是否传统方法制成的电极比起“软着陆”制成的电极寿命更长？为了进一步探究，实验团队对混合电极进行了1000次的充放电试验并检测这些电极可以使用多长时间。

和他们之前测试的结果类似，“软着陆”技术设备表现最优，在经过1000次充放电循环后仅仅损失了一小部分电容量。单独的超级电容排在第二名，而钠离子的传统设备损失了“软着陆”设备两倍的电容量。实验结果说明，“软着陆”技术制成的电极寿命可能是其他方法制成电极寿命的两倍左右。

大功告成

在得到上述试验结论外，该团队对于在碳纳米管电容器中加入了如此微量的聚甲醛竟能产生如此大的差异感到惊奇。而且，经过称量聚甲醛的质量仅仅只有碳纳米管的五分之一。“还有一个实验现象是极少量的聚甲醛可以使得电容达到最大值，之后会发生显著的降低。”Laskin说道“不过这么少的聚甲醛对于一个电容具有如此大的贡献仍然让我们感到意外”。因此他们决定使用超级显微镜来分别观察比较“软着陆”技术和钠离子传统技术制成的电极结构。

在显微镜下他们发现“软着陆”技术直接将大量的聚甲醛点缀在碳纳米管上，但是传统的方法则是将大量的块状聚甲醛覆盖在纳米管表面，导致聚集起来有面积比“软着陆”技术大十倍左右。之后研究人员将聚甲醛中的正离子移除并保证负离子分布在材料的表面。因为只要正离子在钠表面残留，聚甲醛和钠离子会均匀的分布在晶体材料的表面。这种结构会阻止聚甲醛在电池中发挥作用并且减少电容量。实验团队放大倍数并且仔细观察镜头中的纳米管，发现传统电极上仍然覆盖着大量聚甲醛。然而，“软着陆”技术产生的电极和碳纳米管电容器则并没有这种结构。未来的研究计划中，团队想要探索如何使在碳材料中喷涂更多的聚甲醛，从而进一步增加电容量和寿命。

原文链接：Cleaning up hybrid battery electrodes improves capacity and lifespan

感谢材料人编辑部尉谷雨提供素材