如果你在智能手机的电池里面加入量子点——比人类的头发丝细10,000倍的纳米晶体，它会在30秒内充满，但是这种效应只能持续几次充放电循环。
 

比人类的头发丝细10,000倍的纳米晶体
 

    范德堡大学毕业生Anna Douglas拿着一个她用黄铁矿做出的数百万“愚金”量子点修饰过的电池。

    但是，范德堡大学的一个研究团队在11月11号的ACS Nano期刊中声称他们已经找到了克服这个问题的方法：用黄铁矿制作出“愚金”量子点加入电池，可以使电池既能更快的充电，又能实现几十次的充放电循环。

    这个团队以机械工程院的助教Cary Pint为首，由毕业生Anna Douglas带领。之所以对黄铁矿感兴趣，是因为它是地球表面最丰富的材料。它最原始的形成方式是作为煤形成时产生的副产物，而它又是如此的便宜，被应用于一次性的商业化锂电池中。

    尽管他们给了我们希望，但研究者们还是在怎么获得纳米粒子来提高电池性能方面遇到了困难。

    Pint说：“研究人员已经证明纳米材料可以显著改善电池的性能，但是，这里还有一个限制，当粒子尺寸很小的时候，通常10纳米（40-50个原子间距）以下，纳米粒子就会跟电解质发生化学反应，因而，电池只能充放电几次。所以，这种尺寸分布的粒子不能应用于商业化的锂离子电池中。”

    在Douglas专业合成纳米粒子技能的帮助下，这个团队开始探索这个超小型机制。他们把数以百万的不同尺寸的愚金量子点负载到像手表，远程车钥匙，LED手电筒上用的那些标准锂离子电池上。当他们把4.5纳米的量子点负载到锂电池里时，获得了巨大成功，它既大幅提高了电池的循环寿命，又改善了电池的性能。

    研究者发现，黄铁矿通过转化为铁和硫化锂（或硫化钠）这种独特的方式来存储能量，进而使电池性能大大提高。Douglas解释道：“这与传统锂电池的储能方式完全不同，传统锂电池在充电时会有一种物质进入，而在放电时该物质又会与电池分离，整个过程电池中存储锂离子的材料都没有发生变化。”

    按Pint的理解，“你可以把它想象成香草蛋糕。传统电池中含锂和钠的材料就像插入蛋糕中的巧克力棒，然后再把巧克力棒完整的拔出来。而我们正在研究的这种材料，你把巧克力棒插进香草蛋糕它就变成了香草巧克力蛋糕。”

    这样一来，禁止在电池使用超小纳米粒子的那些规则都不再适用。事实上，超小的纳米粒子性能更好。

    Douglas解释说：“与把锂或钠离子插入纳米粒子不同，把能量存进黄铁矿要求铁原子的扩散作用。不幸的是，铁原子扩散缓慢，要求（粒子）尺寸小于铁原子的扩散长度，唯一符合要求的就是超小纳米粒子。”

    那些超小纳米粒子的尺寸都足以让铁原子移动到颗粒表面，同时又让钠或锂在黄铁矿内部与硫反应，这是该团队的一个重大发现。他们证明，由于铁原子在粒子较大时无法穿过黄铁矿，这种效应不复存在，这限制了他们的储能性能。

    Pint认为了解化学存储机制和它们对纳米尺寸的依赖是至关重要的，能使电池性能的提高符合摩尔定律，并顺利过渡到电动汽车。

    Pint说：“未来能在短时间内充满并能持续几天放电的电池不可能只利用纳米技术，他将受益于新工具的开发，使我们能设计支持持续数万次充放电循环的纳米结构，具有媲美汽油的能量存储容量，我们的研究朝着这个方向迈出了一大步。”

责任编辑：班英飞

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