比传统电池充电速度更快的混合电池在制作电极时采用温和的方式制备时，可以具有明显更好的电容和长期稳定性。
研究人员今天在“ 自然通讯”杂志上报道称，这种高精度技术称为离子软着陆，其电极能够储存三分之一的能量，并且寿命是传统方法制备的两倍。直接设置，该方法最终可以导致更便宜，更强大，更持久的可充电电池。
“这是有史以来第一次有人能够使用离子软着陆来组装功能正常的电池，”能源部太平洋西北实验室的化学家和实验室研究员Julia Laskin说。
这种优势来自于软着陆能够非常具体地构建电极表面，仅具有原始组分的复杂混合物中最理想的分子。
“这将有助于我们揭开有关这种储能技术的重要科学问题，这是普通锂可充电电池与具有极高能量密度的超级电容器之间的混合体，”首席作者，PNNL化学家Venkateshkumar Prabhakaran说。
一种不同的混合体
尽管锂离子可充电电池是小型电子设备的首选技术，但它们能够缓慢释放能量，这就是为什么混合动力电动汽车使用汽油加速，并且需要很长时间才能充电，这使得电动汽车更慢“填充”比他们的燃气表兄弟。
一种可能的解决方案是采用混合动力电池，通过快速充电的超级电容器，使锂电池能够为其尺寸保持大量电量。PNNL化学家想知道他们是否可以用一种称为离子软着陆的技术制造出优质的混合电池材料，这种技术在制备过程中错综复杂地控制着原始组分。
为了找到答案，Laskin及其同事通过将一种称为POM或多金属氧酸盐的化学物质喷射到由微观小碳管制成的超级电容器电极上来制造混合电极。现成的POM具有称为离子的带正电和带负电的部分，但在混合电极中仅需要负离子。
受其设计的限制，传统的制备技术将正离子和负离子喷射到碳纳米管上。然而，离子软着陆将带电部分分离，仅设置电极表面上的负离子。拉斯金和团队的问题是，正离子会干扰混合电极的性能吗?
为了找到答案，该团队用POM-碳纳米管电极制作了厘米大小的方形混合电池，这些电极将特别开发的离子液体膜夹在它们之间。
Prabhakaran说：“我们必须设计一种隔离电极的膜，它还可以作为电池的电解质，可以传导离子。” “大多数人都知道电解液是液体在汽车电池内晃动。我们的产品是坚固的凝胶。”
他们对这款迷你混合动力电池进行了测试，测试它可以容纳多少能量以及它在逐渐消失之前可以处理的充电和放电循环次数。
他们将软着陆与传统制造的混合电池进行了比较，后者采用电喷雾沉积技术制造。他们使用含有带正电荷的钠离子的现成POM。
为POM欢呼
该团队发现，采用软着陆制成的POM混合电极具有优异的储能能力。它们本身比碳纳米管超级电容器能够承受更多的能量，这被列为最低性能基准。软着陆混合动力比传统制造的电喷雾沉积电极节能约27%。
为了确保团队使用最佳量的POM，他们使用不同的量制造混合电极并测试哪一个导致最高容量。使用最低量的POM，软着陆产生了最高的总容量。这表明电极非常有效地使用活性材料。相比之下，传统的钠基POM电极需要两倍的POM材料才能达到最高容量。
传统制造的设备使用了更多的POM，但团队还没有计算出来。实际上它们可能比软着陆产生的电极具有更长的寿命。为了测试这一点，该团队对混合动力车进行了1000次充电和排放，并测量了它们持续了多长时间。
正如他们在之前的测试中所做的那样，基于软着陆的设备表现最佳，在1000次循环后仅损失了几个百分点的容量。裸露的超级电容器排在第二位，基于钠的传统制造设备损失了软着陆设备容量的两倍。这表明软着陆方法有可能使这些类型的混合电池的寿命延长一倍。
看起来不错
该团队感到惊讶的是，它所用的POM材料很少能与碳纳米管超级电容器产生如此大的差异。按重量计，POM的量仅为碳纳米管材料量的五分之一。
拉斯金说：“随着POM的增加，电容达到最大值，然后随着更多的电流下降，这一事实非常显着。” “我们没想到会有如此少量的POM对电容做出如此大的贡献。”
他们决定使用强大的显微镜检查电极的结构，EMSL是环境分子科学实验室，也是PNNL的DOE科学用户设施办公室。他们将软着陆与传统制造的钠-POM电极进行了比较。
软着陆创造了小的离散POM团簇点缀碳纳米管，但传统方法导致较大的POM团簇团块淹没纳米管，聚集的尺寸是软着陆制造的聚集体的十倍。
该结果向研究人员表明，从POM原料中除去正离子可使负离子均匀分散在表面上。只要钠等正离子残留，POM和钠就会使结晶材料重新形成并在表面聚集。这阻止了大部分POM在电池中工作，从而降低了容量。
当团队稍微缩小并从上方观察纳米管时，传统制造的电极被POM的大聚集体覆盖。然而，软着陆电极与裸碳纳米管超级电容器明显无法区分。
在未来的研究中，该团队希望探索如何使碳材料接受更多的POM，这可能会进一步提高容量和寿命。
