据外媒报道，斯科尔科沃理工学院（Skoltech）的科学家进行了一项研究，将多层碱金属引入碳负极，这项技术有望彻底改变储能市场，使电动汽车能够在几分钟内充满电，并为绿色能源提供稳定、安全且经济实惠的存储系统。
图片来源： Skoltech
相关论文发表在期刊《Small》上，阐明了在碳负极材料中设计锂、钠和钾等碱金属多层结构的最新进展。
多层结构如何改善电池性能
多年来，人们一直认为离子在电池的碳材料（例如石墨）中只能形成单原子层。2018年，研究人员使用高精度电子显微镜，发现了一种新的结构：在两层石墨烯之间形成了超致密的多原子层锂。
这项开创性的发现催生了一个新的研究领域，表明这种致密的“夹层”结构不仅可以由锂构成，还可以由其他更容易获得的金属（例如钠）构成。这些多层结构可以嵌入各种形式的碳材料中，包括有序石墨烯、无序硬碳和定制碳球。
这种新范式具有多项优势。首先，将多个金属层而非仅仅一层嵌入阳极中，可以显著提高储能容量。根据理论计算，包含四层锂的石墨烯阳极的容量可高达目前最先进的石墨阳极的三倍。
其次，专为碳基体设计的纳米通道和孔隙可作为离子的“高速公路”。这一概念已在硬碳基钠离子电池中得到验证，该电池在经过3000次超快速充电循环后仍能保持83%的容量。
安全同样至关重要。针状金属枝晶的生长是电池起火的主要原因。这项新技术通过使金属在稳定的碳框架内沉积和溶解，而不是危险地沉积在其表面，从而解决了这个问题，消除了短路的风险。
“我们的研究在能源材料科学领域取得了突破性进展，”该论文的主要作者、Skoltech能源转型中心高级研究科学家Ilya Chepkasov评论道。
设计更安全、更高效的电池
“我们系统地整理了相关证据，证明自然界允许我们将离子‘封装’到碳材料中的密度远高于此前人们的认知。关键在于设计碳载体，例如在石墨中创建原子通道、控制硬碳中的纳米孔尺寸，或在碳球中引入开放的中孔通道。这些结构都能引导离子沿最佳路径移动，从而形成稳定的多层结构，最终实现卓越的性能。” Ilya Chepkasov表示。
该团队的研究成果为从实验室发现到工业生产勾勒出了一条清晰的路径。目前，一些方法，例如利用氨进行分子隧道化处理来改性石墨，以及利用生物质合成复杂的硬碳材料，已经可以用于制造功能性负极原型。然而，这些技术的广泛应用将取决于能否克服一系列相互关联的挑战：
开发先进的模拟方法，包括基于人工智能的工具，以准确预测材料特性。
改进实验技术，实现对工作电池内部原子级过程的实时观察。
通过扩大规模和降低成本来优化合成工艺。
“我们已经了解了这项发现背后的物理原理，该领域的科学家们也已经准备好了首批工作样品，”该研究的合著者、Skoltech能源转型中心教授Alexander Kvashnin说道。“在下一阶段，我们需要从独特的实验室样品过渡到经济高效、可靠的工业化生产。将计算科学、高级分析、人工智能和化学合成相结合，可以为将这项突破性研究转化为商业产品提供一套工具，从而塑造能源的未来。”
将多层碱金属引入碳负极的研究对于克服现代电池技术的关键局限性至关重要。这些研究有望带来新一代储能设备，具有高容量、超快充电、更高的安全性和更低的成本。
