纳米技术对储能设备的影响

多年来，科学家和工程师一直在尝试想方设法提高储能系统的效率。这体现在几个方面，包括尝试增加储能设备的存储容量，减小设备的尺寸，开发可以快速充电的储能设备，甚至制造混合设备，将多种设备的最佳特性结合起来单个设备——一个例子是混合电池-超级电容器模块。

在我们的日常生活中，对电子设备的依赖程度越来越高，这催生了对更高效率、更小尺寸和更快充电速率的需求。因此，开发人员不断努力改进这些设备并在保持或减小尺寸的同时提供更多功率。许多传统的制造方法限制了开发人员使用散装材料制造这些材料的规模和效率，因此许多学术科学家1和工业制造商现在正在转向纳米材料来解决这些挑战。在过去几年中，纳米技术对这些设备的影响如此显着，以至于我们现在开始在市场上看到一些使用纳米材料的商业储能设备，其中许多用于消费产品。

为什么纳米技术对储能设备有影响

纳米材料展现出的特性使其成为各种储能设备的理想选择。由于纳米材料可能具有彼此截然不同的特性，因此开发人员在改进储能设备方面拥有无限可能。

储能设备的主要优势之一是某些纳米材料的高导电性和电荷载流子迁移率，这使电子能够更有效地传输和存储。在纳米尺度上看到的量子效应也可以在一些纳米材料中得到增强。一些纳米材料拥有量子阱——能量势阱——如果势阱足够靠近，电子可以在量子阱之间形成隧道。这意味着在某些纳米材料中，电子可以穿过材料而不会受到构成设备的任何化学键的阻碍，这反过来又意味着它们不会损失能量。

纳米材料本身也很小和/或很薄，这使它们能够在不影响设备效率的情况下构建消费者想要的微型设备。与用于存储电荷和/或离子的散装材料相比，纳米材料还具有广泛的活性表面积，具体取决于存储设备。

其他一些纳米材料具有令人难以置信的绝缘性，可以承受高温——远高于大功率电子设备发出的热量。随着每一代技术的发展，电子设备不断产生更多的热量，这些绝缘纳米材料不仅有助于保护设备的电气性能，而且有助于保护设备的电气性能。它们通常可以在设备内散发热量，这意味着不太可能出现热点和局部损坏，从而延长设备的使用寿命。

不同的纳米材料对储能设备的性能产生了影响，使用一种以上的纳米材料来改善设备的多种性能和/或在有助于提高设备效率的纳米材料之间产生协同效应的情况并不少见。通常情况下，开发人员可以将一种以上的纳米材料相互结合使用以提供增强的优势。一个例子是将电绝缘（介电）纳米材料堆叠在高导电纳米材料之上，以减少向周围环境的能量损失，保护电子电荷载流子，并且在某些情况下，有助于操纵电子的方向。

纳米技术在哪里产生影响

纳米材料现在被用于许多储能系统。其中，电池是最常见的，现在生产的商用电池都含有纳米材料。鉴于锂离子电池对制造商来说是最大的市场，这是影响最大的地方，但它们也被用于生产商用锂硫 (Li-S) 电池。虽然电池中纳米材料的大部分用途是在电极中，但它们也以固体和凝胶形式用作某些电池中的电解质。

这种小尺寸电池变得有用的另一个关键领域是不断发展的柔性和可穿戴电子设备领域。除了独立设备外，还开发了许多使用能量存储为设备供电的电子纺织品2，这些设备之所以成为可能，是因为其中使用的纳米材料尺寸小且效率高。

除了电池之外，一些纳米材料被用于构建下一代超级电容器，并且正在开发一些模块，它们是电池和超级电容器的混合体，以尝试利用两者的有益特性，同时尝试消除与两者相关的问题.

这些储能系统用于许多不同的现代技术，纳米储能设备在小型（手持式）系统和大型储能系统（如电动汽车）中具有潜力。事实上，纳米材料被吹捧为最有前途的方法之一，可以改善目前电动汽车中使用的许多电池相对较差的充电和储能能力。

虽然受纳米技术启发的储能设备具有更大系统的功能，但它们目前在便携式和手持设备中更为普遍。一个典型的例子包括用于纳米物联网 (IoNT) 的智能手机。IoNT 意味着需要更小的传感器，而基于纳米技术的电池提供了一种为此类设备供电的方式，典型应用领域涵盖从医疗传感到环境监测。

结论

许多纳米材料具有非常适合改善许多储能设备的性能、尺寸和充电能力的特性。随着对更小但更高效设备的需求不断增长，纳米材料将在这些设备中发挥比现在更大的作用。我们已经开始看到商业系统在一系列手持消费产品中进入市场。随着越来越多的最终用户制造商采用这些技术，这些市场可能会增长。

审核编辑 黄昊宇