多年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直在嘗試想方設(shè)法提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。這體現(xiàn)在幾個(gè)方面，包括嘗試增加儲(chǔ)能設(shè)備的存儲(chǔ)容量，減小設(shè)備的尺寸，開(kāi)發(fā)可以快速充電的儲(chǔ)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(lái)單個(gè)設(shè)備——一個(gè)例子是混合電池-超級(jí)電容器模塊。

在我們的日常生活中，對(duì)電子設(shè)備的依賴(lài)程度越來(lái)越高，這催生了對(duì)更高效率、更小尺寸和更快充電速率的需求。因此，開(kāi)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(kāi)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(lái)解決這些挑戰(zhàn)。在過(guò)去幾年中，納米技術(shù)對(duì)這些設(shè)備的影響如此顯著，以至于我們現(xiàn)在開(kāi)始在市場(chǎng)上看到一些使用納米材料的商業(yè)儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)發(fā)人員在改進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備方面擁有無(wú)限可能。

儲(chǔ)能設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)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(chǔ)。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(shì)阱——如果勢(shì)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(guò)材料而不會(huì)受到構(gòu)成設(shè)備的任何化學(xué)鍵的阻礙，這反過(guò)來(lái)又意味著它們不會(huì)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(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

不同的納米材料對(duì)儲(chǔ)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(lái)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(jiàn)。通常情況下，開(kāi)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(shì)。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?chē)h(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(chǔ)能系統(tǒng)。其中，電池是最常見(jiàn)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(duì)制造商來(lái)說(shuō)是最大的市場(chǎng)，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(kāi)發(fā)了許多使用能量存儲(chǔ)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(jí)電容器，并且正在開(kāi)發(fā)一些模塊，它們是電池和超級(jí)電容器的混合體，以嘗試?yán)脙烧叩挠幸嫣匦?，同時(shí)嘗試消除與兩者相關(guān)的問(wèn)題.

這些儲(chǔ)能系統(tǒng)用于許多不同的現(xiàn)代技術(shù)，納米儲(chǔ)能設(shè)備在小型（手持式）系統(tǒng)和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車(chē)）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(dòng)汽車(chē)中使用的許多電池相對(duì)較差的充電和儲(chǔ)能能力。

雖然受納米技術(shù)啟發(fā)的儲(chǔ)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(lèi)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(cè)。

結(jié)論

許多納米材料具有非常適合改善許多儲(chǔ)能設(shè)備的性能、尺寸和充電能力的特性。隨著對(duì)更小但更高效設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，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(kāi)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(chǎng)。隨著越來(lái)越多的最終用戶(hù)制造商采用這些技術(shù)，這些市場(chǎng)可能會(huì)增長(zhǎng)。

審核編輯黃昊宇