3D结构带来电池设计新转折

双持续电极结构具有很小的互连接，锂离子可以快速移动，薄膜状活性物质可以迅速扩散动力，而金属框架又具有良好的导电性。

双持续电池电极：a）图示电池包含双持续阴极。b）图示电池电极的四个原电阻。c）双持续电极制造工艺。来源：伊利诺伊大学

电池寿命和行驶里程是讨论中常提及的两个词，说明电动汽车为何还没有走向主流应用。司机仍然觉得棘手的是，想要进行长途旅行，所用电池只能行驶很少几英里，然后又没有时间找地方充电。电池研究的新进展可能在某种程度上改善这种状况。

伊利诺伊大学乌尔班那-香槟分校（UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign）的研究人员正在训练观察力，因为他们正在做的研究，可能会影响电池设计。

保罗布劳恩（PaulBraun）是材料科学与工程教授，他携手研究生余新迪（XindiYu）和博士后研究员张惠刚（HuigangZhang），设计出一种3-D纳米结构的电池阴极。结果是，这种电池可以迅速充放电，而不影响能源存储容量。进而谈到车，这就意味着，这种电池充好电，只要很少的时间，就像汽车在加油站加油相同。同样重要的是，这种快速充电和放电技术，不会减少电池容量。

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充电温度：0~45℃
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布劳恩说，司机假如五分钟就可以充好电，那就会认为去充电也相同，就像他们看待内燃机相同。你就会开到一个充电站，充上电。

这种电池看起来就像一块普通电池，但不同之处在里面。布劳恩和他的小组用薄膜包裹3-D结构，取得了高容量和大电流。电池电极充放电只需几秒钟，比同等散装电极快10至100倍，它们在演示中就是这样，但是，可正常用于现有设备。除了用于车辆，这种快速充电电池设计也可用于医疗设备，激光和领域。

伊利诺伊大学详细描述了他们的工艺：他们首先是涂抹一个表面，采用的是微型小球，然后把它们紧紧塞进一种晶格结构。小球之间和周围的空间充满金属。熔化这些小球，就会形成一种海绵状3-D框架。下一步是电解抛光，这个过程是要蚀刻掉这一框架的表面，放大孔穴，制成开放框架。这一框架就被涂上一种薄膜状活性材料。

结果是一种双持续电极结构，具有很小的互连接，这样，锂离子可以快速移动；薄膜状活性物质，使扩散动力可以很迅速；而金属框架又具有良好的导电性。

这个小组演示的，既有镍氢电池（NiMH）也有锂离子电池（Li-ionbatteries），但布劳恩说，任何电池材料，只要可以沉积在金属框架上，就可以使用。

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因此，布劳恩的研究不是集中推进任何特定的电池产品。他说：这不涉及一种非常具体的电池类型，但是，它更是一种新范式，就是研究电池时，要从三个维度提高性能。这项工作的资金来自美国陆军研究实验室（U.S.ArmyResearchLaboratory）和能源部。

今年早些时候，他们的论文《三维双持续超快充放电散装电池电极》（Three-dimensionalbicontinuousultrafast-chargeand-dischargebulkbatteryelectrodes）刊登在《自然纳米技术》（NatureNanotechnology）上。