你能想象在几秒钟内给手机充电吗?德雷塞尔大学工程学院的研究人员可以通过他们最近在Nature Energy杂志上发布新电池电极设计的工作，迈出了实现这一目标的重要一步。
该团队由Drexel工程学院的Yury Gogotsi，博士，杰出大学和Bach教授领导，在材料科学与工程系的领导下，用一种高导电性的二维材料MXene创造了新的电极设计。他们的设计可以制造像电池这样的能量存储设备，被视为储能技术的储油罐车，与用于提供能量的快速超级电容器一样快 – 通常作为电池备用或快速提供相机闪光灯等能量爆发。
Gogotsi说：“本文驳斥了广泛接受的教条，即电池和赝电容器中使用的化学电荷存储总是比电气双层电容器(也称为超级电容器)中使用的物理存储慢得多。” “我们展示了在几十毫秒内对超薄MXene电极进行充电。这可以通过MXene非常高的电子传导性来实现。这为开发超快速储能设备铺平了道路，而不是在几秒钟内充电和放电，但储存的能量比传统的超级电容器。“
快速充电储能装置的关键在于电极设计。电极是电池的基本组成部分，通过它们可以在充电过程中储存能量，并从中分配电能为我们的设备供电。因此，这些组件的理想设计将允许它们快速充电并储存更多能量。
为了储存更多的能量，材料应该有放置的地方。电池中的电极材料提供用于存储电荷的端口。在电化学中，这些被称为“氧化还原活性位点”的端口是在每个离子被输送时保持电荷的位置。因此，如果电极材料具有更多端口，则它可以存储更多能量 – 这相当于具有更多“汁液”的电池。
来自法国Paul Sabatier大学的合作者Patrice Simon博士和Zifeng Lin制作了一种水凝胶电极设计，其具有更多的氧化还原活性位点，使其能够存储与电池一样多的电荷。这种容量测量，称为“体积性能”，是判断任何能量存储设备效用的重要指标。
为了使这些丰富的水凝胶电极端口对离子流更具吸引力，Drexel领导的团队，包括研究人员Maria Lukatskaya博士，Sankalp Kota，Drexel的MAX / MXene研究小组的研究生，由Michel Barsoum博士，着名教授工程学院; 赵孟强博士设计了具有开放大孔隙的电极结构 – 许多小开口 – 使得MXene材料中的每个氧化还原活性位点易于被离子接近。
“在传统电池和超级电容器中，离子具有朝向电荷存储端口的曲折路径，这不仅减慢了一切，而且还产生了一种情况，即在很快的充电速率下很少有离子实际到达目的地，”第一作者Lukatskaya说。在该论文中，他作为AJ Drexel纳米材料研究所的一部分进行了研究。“理想的电极结构就像离子通过多车道，高速’高速公路”移动到港口，而不是采用单车道道路。我们的大孔电极设计实现了这一目标，允许快速充电 – 几秒钟或更短的时间。“
使用MXene作为电极设计材料的首要好处是其导电性。允许电流快速流动的材料，例如铝和铜，通常用于电缆中。MXenes是导电的，就像金属一样，因此离子不仅具有通向许多存储端口的宽开路径，而且它们也可以非常快速地移动以满足那里的电子。来自以色列Bar-Ilan大学的研究合作者Mikhael Levi博士和Netanel Shpigel帮助Drexel集团最大化了MXene电极中离子可接近的端口数量。
在电池电极中使用是2011年由Drexel材料科学与工程系的研究人员发现的MXene材料的一系列开发中的最新成果。从那时起，研究人员一直在从储能到各种应用中测试它们。电磁辐射屏蔽和水过滤。这一最新发展尤为重要，因为它解决了阻碍电动汽车市场扩张的一个主要问题，并且一直潜伏着移动设备的发展。
“如果我们开始使用低维和电子导电材料作为电池电极，我们可以使电池工作的速度比现在快得多，”Gogotsi说。“最终，对这一事实的欣赏将使我们看到能够以更高的速率充电的汽车，笔记本电脑和手机电池 – 几秒钟或几分钟而不是几小时。
