找地方，停下來，插電充電這個操作可能馬上成為歷史。一般來說，想給一臺iPhone充滿電至少需要2小時，不過新型納米材料MXene的出現(xiàn)能讓手機(jī)充電時間的單位從小時換成秒。科學(xué)家發(fā)明的新型納米材料MXene，可以讓充電的時間，從幾個小時縮短為幾秒鐘。這項發(fā)明將不僅僅縮短手機(jī)的充電時間，也可以用于電動車。這將解決影響電動車發(fā)展的一大重要問題。

之前的研究證明了，超級電容器用作便攜式電子設(shè)備的儲能裝置的應(yīng)用性。超級電容器通過爆炸的形式釋放能量，在為我們的技術(shù)提供動力的時候有著驚人的電勢能。

問題是它們只能用于快速的充電/放電周期，而不是長期的儲能過程。

最近，來自Drexel大學(xué)的一個研究小組使用了一種名為MXene的材料，將超級電容器的快速充電性能和傳統(tǒng)電池的長期儲能性能結(jié)合在一起。

Drexel大學(xué)工程系的學(xué)者暨這一小組的首席研究員YuryGogotsi表示，他們的發(fā)現(xiàn)駁斥了被廣泛接受的教條，也就是化學(xué)電荷存儲(比如之前在電池使用的方式)總是比物理的電荷存儲(也就是超級電容器)慢得多。

MXene材料

“我們演示了在幾十毫秒內(nèi)，對薄的MXene電極的充電過程。MXene極高的導(dǎo)電性為超快能源存儲設(shè)備的發(fā)展鋪平了道路。他在幾秒鐘內(nèi)就能進(jìn)行充電和放電，但比傳統(tǒng)的超級電容器儲存的能量要多得多。”

MXene是一種扁平的納米材料，看起來像三明治：兩層氧化物就像面包，中間填充導(dǎo)電碳和金屬。當(dāng)它們被制造出來時，MXene層可以像多層薯片一樣疊加在一起。

雖然MXene具有良好的導(dǎo)電性，但這種堆疊的薯片結(jié)構(gòu)制造了一個電離子屏障，防止電離子在電池中擴(kuò)散。

電池想要儲存電荷，其中必須“氧化還原活性位點(diǎn)”來儲存離子。這些位點(diǎn)越多，電池能儲存的能量就越多。更重要的是，電池也必須允許離子自由移動，否則就無法到達(dá)這些位點(diǎn)。

為了允許離子在MXene中的自由運(yùn)動，科學(xué)家改變了MXene的結(jié)構(gòu)，將其與一種水凝膠結(jié)合在一起，將MXene的堆棧層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成更像奶酪的結(jié)構(gòu)，有孔洞讓離子自由流動。

“在傳統(tǒng)的電池和超級電容器中，離子對電荷存儲端口有一條彎曲的路徑，這不僅會減慢所有反應(yīng)的速度，同時使很少的離子以快速充電的速度到達(dá)氧化還原反應(yīng)的目的地。”其中一個團(tuán)隊成員MariaLukatskaya說。

“理想的電極結(jié)構(gòu)是像離子能夠通過多個通道移動到氧化還原反應(yīng)位點(diǎn)而非單通道。我們的大孔電極設(shè)計達(dá)到了這個目標(biāo)，使得在幾秒鐘或更短的時間內(nèi)快速充電有可能發(fā)生。”

需要注意的是，雖然這項工作目前看起來前景良好，但尚不清楚電池將如何在車輛中使用。毫無疑問，這項研究最終會在汽車和手機(jī)上應(yīng)用，它將徹底改變電池的使用方式。

Gogotsi說:“如果我們一開始就使用低維和電子導(dǎo)電材料作為電池電極，我們可以制作出更高效的電池。”最終，對這一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的認(rèn)識將會讓我們的汽車、筆記本電腦和手機(jī)電池能夠以更高的速度充電——從幾個小時縮短到幾分鐘甚至幾秒鐘。這項研究已經(jīng)發(fā)表在《自然能源》上。