納米技術(shù)對儲能設(shè)備的影響

多年來，科學(xué)家和工程師一直在嘗試想方設(shè)法提高儲能系統(tǒng)的效率。這體現(xiàn)在幾個(gè)方面，包括嘗試增加儲能設(shè)備的存儲容量，減小設(shè)備的尺寸，開發(fā)可以快速充電的儲能設(shè)備，甚至制造混合設(shè)備，將多種設(shè)備的最佳特性結(jié)合起來單個(gè)設(shè)備——一個(gè)例子是混合電池-超級電容器模塊。

在我們的日常生活中，對電子設(shè)備的依賴程度越來越高，這催生了對更高效率、更小尺寸和更快充電速率的需求。因此，開發(fā)人員不斷努力改進(jìn)這些設(shè)備并在保持或減小尺寸的同時(shí)提供更多功率。許多傳統(tǒng)的制造方法限制了開發(fā)人員使用散裝材料制造這些材料的規(guī)模和效率，因此許多學(xué)術(shù)科學(xué)家1和工業(yè)制造商現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向納米材料來解決這些挑戰(zhàn)。在過去幾年中，納米技術(shù)對這些設(shè)備的影響如此顯著，以至于我們現(xiàn)在開始在市場上看到一些使用納米材料的商業(yè)儲能設(shè)備，其中許多用于消費(fèi)產(chǎn)品。

為什么納米技術(shù)對儲能設(shè)備有影響

納米材料展現(xiàn)出的特性使其成為各種儲能設(shè)備的理想選擇。由于納米材料可能具有彼此截然不同的特性，因此開發(fā)人員在改進(jìn)儲能設(shè)備方面擁有無限可能。

儲能設(shè)備的主要優(yōu)勢之一是某些納米材料的高導(dǎo)電性和電荷載流子遷移率，這使電子能夠更有效地傳輸和存儲。在納米尺度上看到的量子效應(yīng)也可以在一些納米材料中得到增強(qiáng)。一些納米材料擁有量子阱——能量勢阱——如果勢阱足夠靠近，電子可以在量子阱之間形成隧道。這意味著在某些納米材料中，電子可以穿過材料而不會受到構(gòu)成設(shè)備的任何化學(xué)鍵的阻礙，這反過來又意味著它們不會損失能量。

納米材料本身也很小和/或很薄，這使它們能夠在不影響設(shè)備效率的情況下構(gòu)建消費(fèi)者想要的微型設(shè)備。與用于存儲電荷和/或離子的散裝材料相比，納米材料還具有廣泛的活性表面積，具體取決于存儲設(shè)備。

其他一些納米材料具有令人難以置信的絕緣性，可以承受高溫——遠(yuǎn)高于大功率電子設(shè)備發(fā)出的熱量。隨著每一代技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備不斷產(chǎn)生更多的熱量，這些絕緣納米材料不僅有助于保護(hù)設(shè)備的電氣性能，而且有助于保護(hù)設(shè)備的電氣性能。它們通?？梢栽谠O(shè)備內(nèi)散發(fā)熱量，這意味著不太可能出現(xiàn)熱點(diǎn)和局部損壞，從而延長設(shè)備的使用壽命。

不同的納米材料對儲能設(shè)備的性能產(chǎn)生了影響，使用一種以上的納米材料來改善設(shè)備的多種性能和/或在有助于提高設(shè)備效率的納米材料之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的情況并不少見。通常情況下，開發(fā)人員可以將一種以上的納米材料相互結(jié)合使用以提供增強(qiáng)的優(yōu)勢。一個(gè)例子是將電絕緣（介電）納米材料堆疊在高導(dǎo)電納米材料之上，以減少向周圍環(huán)境的能量損失，保護(hù)電子電荷載流子，并且在某些情況下，有助于操縱電子的方向。

納米技術(shù)在哪里產(chǎn)生影響

納米材料現(xiàn)在被用于許多儲能系統(tǒng)。其中，電池是最常見的，現(xiàn)在生產(chǎn)的商用電池都含有納米材料。鑒于鋰離子電池對制造商來說是最大的市場，這是影響最大的地方，但它們也被用于生產(chǎn)商用鋰硫 (Li-S) 電池。雖然電池中納米材料的大部分用途是在電極中，但它們也以固體和凝膠形式用作某些電池中的電解質(zhì)。

這種小尺寸電池變得有用的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是不斷發(fā)展的柔性和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域。除了獨(dú)立設(shè)備外，還開發(fā)了許多使用能量存儲為設(shè)備供電的電子紡織品2，這些設(shè)備之所以成為可能，是因?yàn)槠渲惺褂玫募{米材料尺寸小且效率高。

除了電池之外，一些納米材料被用于構(gòu)建下一代超級電容器，并且正在開發(fā)一些模塊，它們是電池和超級電容器的混合體，以嘗試?yán)脙烧叩挠幸嫣匦裕瑫r(shí)嘗試消除與兩者相關(guān)的問題.

這些儲能系統(tǒng)用于許多不同的現(xiàn)代技術(shù)，納米儲能設(shè)備在小型（手持式）系統(tǒng)和大型儲能系統(tǒng)（如電動汽車）中具有潛力。事實(shí)上，納米材料被吹捧為最有前途的方法之一，可以改善目前電動汽車中使用的許多電池相對較差的充電和儲能能力。

雖然受納米技術(shù)啟發(fā)的儲能設(shè)備具有更大系統(tǒng)的功能，但它們目前在便攜式和手持設(shè)備中更為普遍。一個(gè)典型的例子包括用于納米物聯(lián)網(wǎng) (IoNT) 的智能手機(jī)。IoNT 意味著需要更小的傳感器，而基于納米技術(shù)的電池提供了一種為此類設(shè)備供電的方式，典型應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋從醫(yī)療傳感到環(huán)境監(jiān)測。

結(jié)論

許多納米材料具有非常適合改善許多儲能設(shè)備的性能、尺寸和充電能力的特性。隨著對更小但更高效設(shè)備的需求不斷增長，納米材料將在這些設(shè)備中發(fā)揮比現(xiàn)在更大的作用。我們已經(jīng)開始看到商業(yè)系統(tǒng)在一系列手持消費(fèi)產(chǎn)品中進(jìn)入市場。隨著越來越多的最終用戶制造商采用這些技術(shù)，這些市場可能會增長。

審核編輯黃昊宇