電池和超級(jí)電容中的電解液具有腐蝕性、毒性、且?guī)缀蹩偸且兹嫉摹０殡S著移動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，能量存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程受限于材料收縮，從而容易發(fā)生短路。最近的案例就是三星的GalaxyNote，當(dāng)它混合了易燃性電解質(zhì)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生爆炸。

為了保證鋰電池安全，筆者曾經(jīng)介紹過(guò)幾個(gè)創(chuàng)新研究進(jìn)展。首先是美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員制造的新型“智能”靜電紡絲分離器，它具有熱量觸發(fā)機(jī)制，內(nèi)部含有阻燃劑，可用于防止鋰離子電池燃燒。

其次，筆者還介紹過(guò)美國(guó)德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校工程學(xué)院教授JohnGoodenough帶領(lǐng)的工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的全固態(tài)鋰電池，以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的一種完全由固體材料組成的鋰離子電池。

創(chuàng)新

今天，筆者又要介紹一種與能量存儲(chǔ)設(shè)備安全相關(guān)的創(chuàng)新方案。最近美國(guó)德雷塞爾大學(xué)的一組研究人員設(shè)計(jì)出一種類(lèi)似織物材料的電極，用它可以制作成能量存儲(chǔ)設(shè)備，例如電池和超級(jí)電容，更加快速、更不易泄露或者發(fā)生災(zāi)難性崩潰。他們?cè)O(shè)計(jì)的新型超級(jí)電容就像用明膠注入毛茸茸的海綿，為能量存儲(chǔ)設(shè)備中常用組件的可燃性電解液提供一種獨(dú)特的替代方案。

德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院教授VibhaKalra博士和她的團(tuán)隊(duì)使用了一種吸收在獨(dú)立式多孔碳納米纖維墊子上的、厚厚的富離子凝膠電解質(zhì)，制造出一種無(wú)液體的設(shè)備。研究小組包括Kalra的博士助手SilaSimotwo、Temple研究員StephanieL.Wunder博士、ParameswaraChinnam博士。最近，他們?cè)诿绹?guó)化學(xué)會(huì)期刊《應(yīng)用材料與界面》（AppliedMaterialsandInterfaces）發(fā)表了一篇有關(guān)“無(wú)溶劑固態(tài)超級(jí)電容”新型設(shè)計(jì)的論文。

技術(shù)

超級(jí)電容是另外一種類(lèi)型的能量存儲(chǔ)器件。它與電池相似，能夠靜電地存儲(chǔ)和釋放能量。但是在移動(dòng)設(shè)備、平板電腦、電動(dòng)汽車(chē)等技術(shù)方案中，它傾向于作為一種備份電源，因?yàn)樗茉诳焖贈(zèng)_刺中釋放出存儲(chǔ)的能量。與電池不同的是，電池需要長(zhǎng)時(shí)間使用才能釋放出能量。但是與電池相似的是，超級(jí)電容也是使用易燃的電解質(zhì)溶液，也容易發(fā)生泄露和火災(zāi)。

該研究小組開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容不僅是無(wú)溶劑的（意味著它不含有易燃液體），而且這種緊湊設(shè)計(jì)也更加耐用，它的能量存儲(chǔ)能力和電池充放電周期比目前使用的類(lèi)似設(shè)備更好。它也能在300攝氏度的高溫條件下工作，因此它讓移動(dòng)設(shè)備更加耐用，且不容易因?yàn)闉E用而成為火災(zāi)隱患。

Kalra說(shuō)：

“為了到達(dá)工業(yè)相關(guān)的電極厚度和負(fù)載，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種衣服一般的電極，由納米纖維組成，具有一種定義明確的三維開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，便于注入固體電解質(zhì)前體。開(kāi)孔電極也不含有作為絕緣體使用且會(huì)降低性能的粘合劑。”

生產(chǎn)這種耐用設(shè)備的關(guān)鍵就是纖維般的電極框架。團(tuán)隊(duì)采用一種稱(chēng)為“靜電紡絲”（electrospinning）的工藝制造它。該工藝以一種纖維墊的形式沉積碳前體聚合物溶液，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)擠壓它，這個(gè)工藝從微觀層面看起來(lái)很像棉花糖。

然后，ionogel被吸收進(jìn)碳纖維墊子中，創(chuàng)造出一種完全的電極電解液網(wǎng)絡(luò)。它優(yōu)異的性能特征也與這種連接電極和電解液的獨(dú)特方式聯(lián)系起來(lái)。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟蟮谋砻娣e上相互接觸。

如果你將能量存儲(chǔ)設(shè)備看成一碗玉米片，而能量存儲(chǔ)發(fā)生的地方大致就是玉米片碰到牛奶的地方，科學(xué)家稱(chēng)之為“雙電層”，它就是存儲(chǔ)電力的導(dǎo)電電極碰到攜帶電荷的電解液的地方。理想地說(shuō)，在你的玉米片粥碗里，牛奶會(huì)通過(guò)所有的玉米片，為每個(gè)玉米片涂上一層，使它們不會(huì)太脆也不會(huì)太軟。但是有時(shí)候，玉米片會(huì)發(fā)生堆積，而牛奶（用來(lái)比喻電解液）無(wú)法通過(guò)玉米片，所以頂部的玉米片是干的，而底部的玉米片被牛奶浸潤(rùn)。這并不是一碗好的玉米片粥，也就是說(shuō)它的電化學(xué)等價(jià)物（在電極中的電子在通往激活點(diǎn)的路上發(fā)生交通阻塞）對(duì)于能量設(shè)備來(lái)說(shuō)并不是理想的。

Kalra的固態(tài)超級(jí)電容就像將切碎的小麥而不是玉米片放進(jìn)碗里。這種開(kāi)發(fā)架構(gòu)讓牛奶滲透并覆蓋谷物，就像ionogel滲透進(jìn)Kalra的固態(tài)超級(jí)電容中的碳纖維墊一樣。碳纖維墊為來(lái)自ionogel的離子訪問(wèn)電極提供了更大的表面積，增加了容量，提高了能量存儲(chǔ)設(shè)備的性能。它也消除對(duì)于許多腳手架材料的需要，這些材料是形成物理電極的必要部分，但是在能量存儲(chǔ)過(guò)程中并沒(méi)有起到作用，卻為設(shè)備的整體總量貢獻(xiàn)了很多。

價(jià)值

Kalra表示：

“我們已經(jīng)完全消除了這些設(shè)備中容易起火的組件。并且，為了這么做，我們也設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠讓能量存儲(chǔ)設(shè)備變得更輕更好的電極。”

“先進(jìn)的電極由超細(xì)粉末組成，這些粉末與粘合劑混合制成漿體，然后放進(jìn)設(shè)備中。這些粘合劑增加了設(shè)備的總量，因?yàn)樗鼈儾皇菍?dǎo)電材料，且它們實(shí)際上阻礙了性能。我們的電極是獨(dú)立式的，這樣消除了對(duì)于粘合劑的需求，它的加工占電極制造成本的20%。”

Kalra研究組的下一步工作是將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于固態(tài)電池的生產(chǎn)以及探索智能織物方面的應(yīng)用。