超级仿生电池诞生！以动物骨骼为灵感开发出纳阴极 稳定性和利用率大幅提高

锂电池长期以来一直是电子产品背后的“供能之王”。它为从智能手机到自动驾驶汽车的所有东西提供动力，但它也存在严重的过热问题，有时还会爆炸。从整体上看，锂矿开采正变得越来越不可行，对环境也越来越有害。

在过去的十年里，为了开发一种更安全、更高效的选择，科学家们一直热切地致力于开发一种锂的替代品：钠电池。但有一个问题，钠电池的阴极——在电池中携带电子的电极——是出了名的不稳定。

基于目前的工艺改进，钠离子电池或将有望取代锂离子电池，用于大规模的电能存储。与锂离子电池相比，它们有几个优势，尤其是由于钠的广泛含量。

然而，开发钠阴极是很困难的，通过这种材料电子可以进入电池。许多候选材料不稳定或不能承受高电压。

为了找到解决办法，来自成均馆大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和布鲁克海文国家实验室的研究人员转向了自然，他们找到了一种骨骼形式的生物解决方案。近日，他们在AIP出版的《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）杂志上，描述了灵感来自哺乳动物骨头制成的钠阴极。

研究人员们表示，通过复制哺乳动物骨骼的多层几何结构，可以使钠离子电池的阴极结构更加稳定，同时保持高容量和快速充电率。

“我们相信，自然为解决技术问题提供了一种非常有希望的解决方案，”论文作者之一、成均馆大学的化学工程师的Ho Seok Park说。“因此，我们试图找到能够解决这些动力学和稳定性限制的理想架构。”

哺乳动物的骨骼结构由内部多孔的海绵状骨骼组成，它允许骨髓的储存和运输，周围环绕着坚硬致密的骨骼，在严重的压力下提供了机械和结构的完整性。

示意图：说明如何结构的哺乳动物的骨头被翻译成设计的骨头灵感的NVP阴极。

按照这种设计架构，该小组创造了一个Na3V2(PO4)3结构的多孔系统，也被称为NVP。它被一层致密的还原氧化石墨烯(rGO)外壳包围。NVP这种钠正极材料中，钠离子能够保持快速的传输速度，但缺点是其结构不稳定——尤其是在高压之下。

这种类似骨头的装置，有助于提高系统的结构完整性，减少电化学和机械应力造成的永久性损伤。同时，NVP与还原氧化石墨烯的结合为钠离子创造了更有利的环境，增强了体系的稳定性。该电池能够在3.6秒内达到超高的充电速度；根据不同的充电率，电池可以在10000次的充放电后，仍然保持超90%的容量。相比之下，锂电池通常只能使用400-1200次循环。

尽管有了这些有希望的技术进步，研究人员指出，目前的工作只是一个概念证明，证明钠阴极启发哺乳动物的骨头的可行性。

另外，还需要做更多的工作来实现系统的技术利用。Park表示，有必要对这个设计进行更大规模的综合，看看它在更实际的应用中如何发挥作用——例如，这项研究的试验是在122℉的高温下进行的。

Park还指出:“大规模合成高质量的骨激发NVP，优化骨激发NVP的组成和结构，以及制造和测试具有大面积和高负荷的电极被认为是更实际的应用所需要的。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://scitechdaily.com/batteries-mimic-multilayer-geometry-of-mammal-bones-for-structural-stability/

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0020805

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0020805