斯坦福大學(xué)的研究小組一種包覆住電極的彈性高分子聚合物，當(dāng)電池在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)細(xì)小的裂口時(shí)電極會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，大大延長(zhǎng)了鋰離子電池的壽命，若進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)成功，那么手機(jī)電池充放電周期可達(dá)500次，電動(dòng)車充放電周期可達(dá)3000次。
研究人員研制出首個(gè)能夠進(jìn)行自我修復(fù)的電池電極，開(kāi)辟了一條生產(chǎn)新一代電動(dòng)汽車鋰離子電池的潛在商業(yè)途徑。據(jù)斯坦福大學(xué)的研究小組和國(guó)家斯坦福直線加速器中心國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室能源部透露，該技術(shù)的主要秘訣在于包住電極的彈性高分子聚合物，當(dāng)電池在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)細(xì)小的裂口時(shí)電極會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。
斯坦福博士后研究生，兩次主要論文的作者之一王超（音譯）表示：“自我修復(fù)力對(duì)動(dòng)物和植物的生存和保持長(zhǎng)久生命力非常重要。我們希望將這種特質(zhì)轉(zhuǎn)嫁到鋰離子電池中，這樣就能夠延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。”
王超在斯坦福甄安寶（音譯）教授的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了一種自我修復(fù)聚合物，甄安寶教授的實(shí)驗(yàn)室主要致力于研發(fā)機(jī)器人、傳感器、四肢假體和其他用途的柔性電子皮膚。甄安寶將細(xì)小的碳納米粒子加入聚合物中，使之具有導(dǎo)電性。
甄安寶教授表示：“我們發(fā)現(xiàn)添加了自我修復(fù)聚合物的硅電極的使用壽命是之前的十倍，并且能夠在僅僅幾小時(shí)之內(nèi)修復(fù)所有裂縫。”斯坦福直線加速器中心的副教授易崔（音譯）表示：“目前研究人員正在對(duì)其其儲(chǔ)存電能的能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是我們一定會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。在未失去儲(chǔ)存電力的能力下電極能持續(xù)工作約100個(gè)充放電周期。雖然這距我們500個(gè)手機(jī)電池充放電周期和電動(dòng)汽車3000個(gè)充放電周期的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，但是據(jù)所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示達(dá)到目標(biāo)也是指日可待的事。”
全世界的研究人員都在尋找能夠既使鋰離子電池負(fù)電極存儲(chǔ)更多電能又減輕電池重量，提高性能的方法。其中最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N電極材料就是硅，硅能在電池充電時(shí)從電池液中高效吸收鋰離子，并在電池工作時(shí)釋放鋰離子。
但是這種電池有一個(gè)弊端，當(dāng)硅電極每次充電和放電時(shí)都會(huì)膨脹至正常大小的3倍然后再縮小，大大降低了電池的性能。這也是所有大容量電池電極的通病。
新型可自行修復(fù)電極采用硅微粒制成，這種材料通常用于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池的制造行業(yè)。研究人員表示他們將繼續(xù)改善這種技術(shù)，進(jìn)一步提高硅電極的性能和壽命。
金屬自我修復(fù)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)或有助于制造新材料
自然界中的生物體和具有記憶功能的有機(jī)材料等，在遭受損傷時(shí)具有自我康復(fù)的功能。麻省理工學(xué)院的研究人員在一項(xiàng)金屬特性實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)受損的金屬也具有自我修復(fù)的功能。
金屬合金分子結(jié)構(gòu)電腦模擬顯示，微晶粒之間的邊界會(huì)在壓力下出現(xiàn)裂痕。大多數(shù)金屬都是由細(xì)微的晶粒構(gòu)成，這些晶粒的大小和方向能夠影響金屬的強(qiáng)度和特性。但在某些條件下，壓力可以讓這種晶粒的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變：使晶界（晶粒邊界）發(fā)生移動(dòng)，而晶界移動(dòng)則是修復(fù)“創(chuàng)傷”的關(guān)鍵。
近幾十年來(lái)，科研人員對(duì)固體金屬中晶界的移動(dòng)一直開(kāi)展著研究，但發(fā)現(xiàn)只有某些晶界才發(fā)生導(dǎo)致自我修復(fù)的現(xiàn)象，即只有部分晶界延伸到一個(gè)晶粒，但不是所有部分。這造成了一種被稱之為“向錯(cuò)”的缺陷。實(shí)際上早在一個(gè)世紀(jì)前“向錯(cuò)”就已經(jīng)被觀察到，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為這只是一種奇特現(xiàn)象。當(dāng)麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)和工程教授邁克爾·戴姆克維茲和研究生徐國(guó)強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，金屬中晶界在受外力作用產(chǎn)生裂痕后可以開(kāi)展全面的修復(fù)行為，而且這種自我修復(fù)功能其實(shí)是向錯(cuò)缺陷帶來(lái)的結(jié)果。
為重現(xiàn)這一現(xiàn)象，他們?yōu)橹⒘擞?jì)算機(jī)模型，通過(guò)模型演示能清楚地觀察到金屬材料在遭受外力創(chuàng)傷時(shí)，晶界發(fā)生移動(dòng)從而完成自我修復(fù)的過(guò)程。戴姆克維茲教授認(rèn)為，金屬內(nèi)部原則上都存在一個(gè)縮小外力造成裂痕的機(jī)制。
向錯(cuò)有強(qiáng)烈的應(yīng)力場(chǎng)，“實(shí)際上它們完全可以減弱外加負(fù)載產(chǎn)生的影響。”戴姆克維茲教授說(shuō)，“當(dāng)破裂的材料兩邊被撕開(kāi)時(shí)，這種機(jī)制阻止裂痕不再進(jìn)一步擴(kuò)大，并且使之產(chǎn)生愈合。”
發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制后，MIT的研究人員計(jì)劃進(jìn)一步研究如何設(shè)計(jì)出相應(yīng)的金屬合金，以便在特殊應(yīng)用條件下產(chǎn)生自我修復(fù)的功能。戴姆克維茲教授指出，合金微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)已經(jīng)存在，現(xiàn)在只需要計(jì)算出如何獲得理想的結(jié)果。“我們?yōu)橹蜷_(kāi)了通途，如何設(shè)計(jì)出可以自我復(fù)原的金屬材料不會(huì)太久。”
新型觸敏塑料可自行愈合
美國(guó)斯坦福大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制了具有敏銳觸感，在室溫下能迅速、反復(fù)愈合的人工合成材料。
斯坦福大學(xué)的鮑哲南團(tuán)隊(duì)使用了特殊的塑料聚合物，其中包含氫鍵連接的長(zhǎng)鏈分子，這些分子很容易打散，但當(dāng)其重新接觸時(shí)，氫鍵能自我重組并恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)。
研究人員將這種塑料和金屬進(jìn)行混合，新的合成材料既具有塑料聚合物的自我修復(fù)能力，又具有金屬的導(dǎo)電性。
研究人員將薄帶狀材料切成兩半，將其放在一起按壓幾秒鐘后，材料可恢復(fù)75%的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。如果按壓30分鐘，該材料性能的恢復(fù)接近100%。更重要的是，同一樣品可在同一個(gè)地方反復(fù)切削，經(jīng)過(guò)50次切削，樣品的柔韌性和伸展度仍恢復(fù)的完好如初。
鮑哲南表示，該材料對(duì)下壓和屈曲都非常敏感，因此利用這種材料制成的假肢在關(guān)節(jié)處將有更好的彎曲度;覆有這種材料的電氣設(shè)備和電線也可自我修復(fù)。研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是使材料更透明，更具彈性，以使其適用于電子設(shè)備或顯示屏的外表面。
新型電極材料有助提高鋰離子電池容量
近年來(lái)，電動(dòng)汽車因其環(huán)保特性而備受推崇，但與汽油車相比，較短的行駛里程限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。
日前，新加坡科技研究局下屬材料與工程研究院的劉兆林(音譯)與中國(guó)復(fù)旦大學(xué)的于艾水(音譯)等研究人員，通過(guò)研制一種新型鋰離子電極材料，增大了鋰離子電池的容量，或?qū)椭妱?dòng)汽車行駛得更遠(yuǎn)。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《電化學(xué)通訊》。
據(jù)了解，鋰離子電池通過(guò)使鋰離子在電極兩端來(lái)回穿梭實(shí)現(xiàn)充電與放電過(guò)程。例如，在充電時(shí)，鋰離子從通常由鋰鈷氧化物制造的陽(yáng)極材料上脫嵌，穿過(guò)隔膜和電解液，嵌入到陰極中。放電則以相反的過(guò)程進(jìn)行。
在通常情況下，鋰離子電池的陰極由充斥著微小孔隙的石墨材料制造。之前有研究發(fā)現(xiàn)，相比石墨材料，氧化鐵材料能夠讓電池?fù)碛懈蟮娜萘?。但用氧化鐵材料作為陰極的電池的充電過(guò)程十分緩慢，同時(shí)，這種材料在經(jīng)歷數(shù)次充放電循環(huán)之后，就會(huì)被鋰離子破壞，進(jìn)而影響電池容量。
而在最新的研究中，劉兆林和于艾水推測(cè)，相比氧化鐵陰極，陰極由氧化鐵納米粒子制造的電池的充電過(guò)程或許將會(huì)快許多，因?yàn)檫@種納米材料的孔隙十分合適鋰離子嵌入。并且，這些孔隙還能夠隨著鋰離子嵌入而作出相應(yīng)的改變。
為了驗(yàn)證這一想法，研究人員通過(guò)在水中加熱硝酸鐵，得到了大小為5納米的氧化鐵粒子，也就是α-Fe2O3。然后，他們將這些粒子與炭黑粉末相混合，利用聚偏二氟乙烯加以固定，將這一混合物覆蓋在銅箔上面，最終制成電池陰極。
實(shí)驗(yàn)表明，在第一輪充放電過(guò)程中，使用新型陰極電池的轉(zhuǎn)化效率為傳統(tǒng)電池的75%~78%，但是，經(jīng)過(guò)幾輪充放電，新型電池的效率達(dá)到了傳統(tǒng)電池的98%。
對(duì)此，研究人員表示，電池的效率之所以會(huì)逐漸提高，是因?yàn)樵谇皫纵喌某浞烹娺^(guò)程中，氧化鐵納米粒子被分解到合適的尺寸。而98%這一數(shù)據(jù)則表明，新型電池已經(jīng)十分接近目前商用鋰電池的水平。
此后的實(shí)驗(yàn)表明，大約在230次循環(huán)之后，新型電池的效率還維持在97%左右。而且令人欣喜的是，這種電池的容量達(dá)到了1009毫安時(shí)/克，幾乎比傳統(tǒng)石墨陰極電池高出了三倍。同時(shí)，新型電池沒(méi)有遇到困擾其他氧化鐵陰極電池的退化問(wèn)題。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在優(yōu)化納米合成過(guò)程，并且著手提高氧化鐵納米電極在初始循環(huán)中的轉(zhuǎn)化效率。
研究人員研制出首個(gè)能夠進(jìn)行自我修復(fù)的電池電極，開(kāi)辟了一條生產(chǎn)新一代電動(dòng)汽車鋰離子電池的潛在商業(yè)途徑。據(jù)斯坦福大學(xué)的研究小組和國(guó)家斯坦福直線加速器中心國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室能源部透露，該技術(shù)的主要秘訣在于包住電極的彈性高分子聚合物，當(dāng)電池在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)細(xì)小的裂口時(shí)電極會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。
斯坦福博士后研究生，兩次主要論文的作者之一王超（音譯）表示：“自我修復(fù)力對(duì)動(dòng)物和植物的生存和保持長(zhǎng)久生命力非常重要。我們希望將這種特質(zhì)轉(zhuǎn)嫁到鋰離子電池中，這樣就能夠延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。”
王超在斯坦福甄安寶（音譯）教授的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了一種自我修復(fù)聚合物，甄安寶教授的實(shí)驗(yàn)室主要致力于研發(fā)機(jī)器人、傳感器、四肢假體和其他用途的柔性電子皮膚。甄安寶將細(xì)小的碳納米粒子加入聚合物中，使之具有導(dǎo)電性。
甄安寶教授表示：“我們發(fā)現(xiàn)添加了自我修復(fù)聚合物的硅電極的使用壽命是之前的十倍，并且能夠在僅僅幾小時(shí)之內(nèi)修復(fù)所有裂縫。”斯坦福直線加速器中心的副教授易崔（音譯）表示：“目前研究人員正在對(duì)其其儲(chǔ)存電能的能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是我們一定會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。在未失去儲(chǔ)存電力的能力下電極能持續(xù)工作約100個(gè)充放電周期。雖然這距我們500個(gè)手機(jī)電池充放電周期和電動(dòng)汽車3000個(gè)充放電周期的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，但是據(jù)所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示達(dá)到目標(biāo)也是指日可待的事。”
全世界的研究人員都在尋找能夠既使鋰離子電池負(fù)電極存儲(chǔ)更多電能又減輕電池重量，提高性能的方法。其中最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N電極材料就是硅，硅能在電池充電時(shí)從電池液中高效吸收鋰離子，并在電池工作時(shí)釋放鋰離子。
但是這種電池有一個(gè)弊端，當(dāng)硅電極每次充電和放電時(shí)都會(huì)膨脹至正常大小的3倍然后再縮小，大大降低了電池的性能。這也是所有大容量電池電極的通病。
新型可自行修復(fù)電極采用硅微粒制成，這種材料通常用于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池的制造行業(yè)。研究人員表示他們將繼續(xù)改善這種技術(shù)，進(jìn)一步提高硅電極的性能和壽命。
金屬自我修復(fù)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)或有助于制造新材料
自然界中的生物體和具有記憶功能的有機(jī)材料等，在遭受損傷時(shí)具有自我康復(fù)的功能。麻省理工學(xué)院的研究人員在一項(xiàng)金屬特性實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)受損的金屬也具有自我修復(fù)的功能。
金屬合金分子結(jié)構(gòu)電腦模擬顯示，微晶粒之間的邊界會(huì)在壓力下出現(xiàn)裂痕。大多數(shù)金屬都是由細(xì)微的晶粒構(gòu)成，這些晶粒的大小和方向能夠影響金屬的強(qiáng)度和特性。但在某些條件下，壓力可以讓這種晶粒的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變：使晶界（晶粒邊界）發(fā)生移動(dòng)，而晶界移動(dòng)則是修復(fù)“創(chuàng)傷”的關(guān)鍵。
近幾十年來(lái)，科研人員對(duì)固體金屬中晶界的移動(dòng)一直開(kāi)展著研究，但發(fā)現(xiàn)只有某些晶界才發(fā)生導(dǎo)致自我修復(fù)的現(xiàn)象，即只有部分晶界延伸到一個(gè)晶粒，但不是所有部分。這造成了一種被稱之為“向錯(cuò)”的缺陷。實(shí)際上早在一個(gè)世紀(jì)前“向錯(cuò)”就已經(jīng)被觀察到，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為這只是一種奇特現(xiàn)象。當(dāng)麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)和工程教授邁克爾·戴姆克維茲和研究生徐國(guó)強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，金屬中晶界在受外力作用產(chǎn)生裂痕后可以開(kāi)展全面的修復(fù)行為，而且這種自我修復(fù)功能其實(shí)是向錯(cuò)缺陷帶來(lái)的結(jié)果。
為重現(xiàn)這一現(xiàn)象，他們?yōu)橹⒘擞?jì)算機(jī)模型，通過(guò)模型演示能清楚地觀察到金屬材料在遭受外力創(chuàng)傷時(shí)，晶界發(fā)生移動(dòng)從而完成自我修復(fù)的過(guò)程。戴姆克維茲教授認(rèn)為，金屬內(nèi)部原則上都存在一個(gè)縮小外力造成裂痕的機(jī)制。
向錯(cuò)有強(qiáng)烈的應(yīng)力場(chǎng)，“實(shí)際上它們完全可以減弱外加負(fù)載產(chǎn)生的影響。”戴姆克維茲教授說(shuō)，“當(dāng)破裂的材料兩邊被撕開(kāi)時(shí)，這種機(jī)制阻止裂痕不再進(jìn)一步擴(kuò)大，并且使之產(chǎn)生愈合。”
發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制后，MIT的研究人員計(jì)劃進(jìn)一步研究如何設(shè)計(jì)出相應(yīng)的金屬合金，以便在特殊應(yīng)用條件下產(chǎn)生自我修復(fù)的功能。戴姆克維茲教授指出，合金微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)已經(jīng)存在，現(xiàn)在只需要計(jì)算出如何獲得理想的結(jié)果。“我們?yōu)橹蜷_(kāi)了通途，如何設(shè)計(jì)出可以自我復(fù)原的金屬材料不會(huì)太久。”
新型觸敏塑料可自行愈合
美國(guó)斯坦福大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制了具有敏銳觸感，在室溫下能迅速、反復(fù)愈合的人工合成材料。
斯坦福大學(xué)的鮑哲南團(tuán)隊(duì)使用了特殊的塑料聚合物，其中包含氫鍵連接的長(zhǎng)鏈分子，這些分子很容易打散，但當(dāng)其重新接觸時(shí)，氫鍵能自我重組并恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)。
研究人員將這種塑料和金屬進(jìn)行混合，新的合成材料既具有塑料聚合物的自我修復(fù)能力，又具有金屬的導(dǎo)電性。
研究人員將薄帶狀材料切成兩半，將其放在一起按壓幾秒鐘后，材料可恢復(fù)75%的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。如果按壓30分鐘，該材料性能的恢復(fù)接近100%。更重要的是，同一樣品可在同一個(gè)地方反復(fù)切削，經(jīng)過(guò)50次切削，樣品的柔韌性和伸展度仍恢復(fù)的完好如初。
鮑哲南表示，該材料對(duì)下壓和屈曲都非常敏感，因此利用這種材料制成的假肢在關(guān)節(jié)處將有更好的彎曲度;覆有這種材料的電氣設(shè)備和電線也可自我修復(fù)。研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是使材料更透明，更具彈性，以使其適用于電子設(shè)備或顯示屏的外表面。
新型電極材料有助提高鋰離子電池容量
近年來(lái)，電動(dòng)汽車因其環(huán)保特性而備受推崇，但與汽油車相比，較短的行駛里程限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。
日前，新加坡科技研究局下屬材料與工程研究院的劉兆林(音譯)與中國(guó)復(fù)旦大學(xué)的于艾水(音譯)等研究人員，通過(guò)研制一種新型鋰離子電極材料，增大了鋰離子電池的容量，或?qū)椭妱?dòng)汽車行駛得更遠(yuǎn)。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《電化學(xué)通訊》。
據(jù)了解，鋰離子電池通過(guò)使鋰離子在電極兩端來(lái)回穿梭實(shí)現(xiàn)充電與放電過(guò)程。例如，在充電時(shí)，鋰離子從通常由鋰鈷氧化物制造的陽(yáng)極材料上脫嵌，穿過(guò)隔膜和電解液，嵌入到陰極中。放電則以相反的過(guò)程進(jìn)行。
在通常情況下，鋰離子電池的陰極由充斥著微小孔隙的石墨材料制造。之前有研究發(fā)現(xiàn)，相比石墨材料，氧化鐵材料能夠讓電池?fù)碛懈蟮娜萘?。但用氧化鐵材料作為陰極的電池的充電過(guò)程十分緩慢，同時(shí)，這種材料在經(jīng)歷數(shù)次充放電循環(huán)之后，就會(huì)被鋰離子破壞，進(jìn)而影響電池容量。
而在最新的研究中，劉兆林和于艾水推測(cè)，相比氧化鐵陰極，陰極由氧化鐵納米粒子制造的電池的充電過(guò)程或許將會(huì)快許多，因?yàn)檫@種納米材料的孔隙十分合適鋰離子嵌入。并且，這些孔隙還能夠隨著鋰離子嵌入而作出相應(yīng)的改變。
為了驗(yàn)證這一想法，研究人員通過(guò)在水中加熱硝酸鐵，得到了大小為5納米的氧化鐵粒子，也就是α-Fe2O3。然后，他們將這些粒子與炭黑粉末相混合，利用聚偏二氟乙烯加以固定，將這一混合物覆蓋在銅箔上面，最終制成電池陰極。
實(shí)驗(yàn)表明，在第一輪充放電過(guò)程中，使用新型陰極電池的轉(zhuǎn)化效率為傳統(tǒng)電池的75%~78%，但是，經(jīng)過(guò)幾輪充放電，新型電池的效率達(dá)到了傳統(tǒng)電池的98%。
對(duì)此，研究人員表示，電池的效率之所以會(huì)逐漸提高，是因?yàn)樵谇皫纵喌某浞烹娺^(guò)程中，氧化鐵納米粒子被分解到合適的尺寸。而98%這一數(shù)據(jù)則表明，新型電池已經(jīng)十分接近目前商用鋰電池的水平。
此后的實(shí)驗(yàn)表明，大約在230次循環(huán)之后，新型電池的效率還維持在97%左右。而且令人欣喜的是，這種電池的容量達(dá)到了1009毫安時(shí)/克，幾乎比傳統(tǒng)石墨陰極電池高出了三倍。同時(shí)，新型電池沒(méi)有遇到困擾其他氧化鐵陰極電池的退化問(wèn)題。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在優(yōu)化納米合成過(guò)程，并且著手提高氧化鐵納米電極在初始循環(huán)中的轉(zhuǎn)化效率。