TiO2纳米管未来能用来储存能量

晓说

用石墨负极和LiCoO2正极做的商用锂电池的发展仍然是满足当前电力需求，特别是来自便携式电子产品和电动汽车需求的一个关键瓶颈。此外，发展具有超快的充电/放电效率和超长的循环寿命的高性能锂电池也是迫切需要的，并且这将推动下一代能量储存技术的发展。通常情况下，一个电池重新充电需要几个小时，所以能够在几分钟之内快速充电将是非常有市场前景的。然而，当电池在高效率下充电时，就会观察到能量（容量）和循环寿命的显著减少。 我们都知道，搅拌过程可以让溶液中的反应物混合均匀，提高反应的速率和维持反应的条件例如温度和浓度。通过将这种搅拌的技术引入到传统的水热反应，新加坡南洋理工大学的教授陈晓东带领的团队生产出了更长的TiO2纳米管。它们的长度可达几十微米，大约是传统纳米管的两倍长。并且，陈教授团队还演示了这种纳米管在快速充电上的用途。 研究者相信，这个细长纳米管状结构的形成是因为在机械搅拌的情况下扩散和化学反应速率都有提高，而且这些纳米管都因为有剪应力而发生弯曲。基于这一又细又弯的结构，陈教授的团队为快速充电电池建立了一个强大的TiO2纳米管的三维网络建筑结构。这些器件展示出高速的充放电效率（每次充电<3分钟，8.4 A/g）以及超过10000次的高能循环（大约114 mAh g−1）。相当于这个产品有超过25年的使用寿命（假设每天充一次电）。这项成果最近发表在《先进材料》上。 此外，该团队通过利用其独特的搅拌水热法解决了目前的电池系统存在的一个普遍的问题。目前，由于在传统电池结构中广泛使用的添加剂（如聚合物粘合剂和导电剂），所以对于电池的结构和性能的基本关系的理解仍然是有限的。这就导致了想要更多地改变整体锂电池的性能是受到限制的。但是南洋理工的这个团队开发出了一款无添加剂的电池装置，这样就使得他们能够准确阐明纳米管结构的长宽比和他们的电化学性能的相关性。这项工作刚刚在《Angew. Chem. Int. Ed》上发表了。通过搅拌水热法中电流收集器的好的粘附作用，粘附的TiO2为基的纳米管材料得以发展。这就使得无添加剂电池得以实现。通过改变搅拌的速率，他们可以得到不同的长宽比的纳米管，然后就可以对它们的性能进行测试。 当这种凝胶状纳米管用于制造无添加剂的电极时，锂离子电池的性能就可以通过改变纳米管的长宽比来调节。当长宽比提高时，由于电极材料中电子/离子迁移性质的优化，在高充电/放电率下，电池的性能有了显著的提高。理论证明用纳米管做的锐钛矿型TiO2锂离子电池在长宽比是265时能在2分钟30库伦的高速以及超过6000次的循环下保持它们最初容量的86%以上。这相当于超过20年的产品寿命（假设每天只充一次电）。这样的拥有超级电容的高速率以及电池级别的容量的电池预示着能量储存系统的新的范例的出现。该团队相信，他们正在采取进一步的措施，以扩大生产和实现这种超快电池的商业化。