由织物材料制成的新型电极：更轻、更安全、更耐用

电池和超级电容中的电解液具有腐蚀性、毒性、且几乎总是易燃的。伴随着移动技术的进步，能量存储设备的设计过程受限于材料收缩，从而容易发生短路。最近的案例就是三星的GalaxyNote，当它混合了易燃性电解质的时候，就会发生爆炸。

为了保证锂电池安全，笔者曾经介绍过几个创新研究进展。首先是美国斯坦福大学的研究人员制造的新型“智能”静电纺丝分离器，它具有热量触发机制，内部含有阻燃剂，可用于防止锂离子电池燃烧。

其次，笔者还介绍过美国德克萨斯州大学奥斯汀分校工程学院教授JohnGoodenough带领的工程师团队开发的全固态锂电池，以及苏黎世联邦理工学院的研究人员开发的一种完全由固体材料组成的锂离子电池。

创新

今天，笔者又要介绍一种与能量存储设备安全相关的创新方案。最近美国德雷塞尔大学的一组研究人员设计出一种类似织物材料的电极，用它可以制作成能量存储设备，例如电池和超级电容，更加快速、更不易泄露或者发生灾难性崩溃。他们设计的新型超级电容就像用明胶注入毛茸茸的海绵，为能量存储设备中常用组件的可燃性电解液提供一种独特的替代方案。

德雷塞尔大学工程学院教授VibhaKalra博士和她的团队使用了一种吸收在独立式多孔碳纳米纤维垫子上的、厚厚的富离子凝胶电解质，制造出一种无液体的设备。研究小组包括Kalra的博士助手SilaSimotwo、Temple研究员StephanieL.Wunder博士、ParameswaraChinnam博士。最近，他们在美国化学会期刊《应用材料与界面》（AppliedMaterialsandInterfaces）发表了一篇有关“无溶剂固态超级电容”新型设计的论文。

技术

超级电容是另外一种类型的能量存储器件。它与电池相似，能够静电地存储和释放能量。但是在移动设备、平板电脑、电动汽车等技术方案中，它倾向于作为一种备份电源，因为它能在快速冲刺中释放出存储的能量。与电池不同的是，电池需要长时间使用才能释放出能量。但是与电池相似的是，超级电容也是使用易燃的电解质溶液，也容易发生泄露和火灾。

该研究小组开发的超级电容不仅是无溶剂的（意味着它不含有易燃液体），而且这种紧凑设计也更加耐用，它的能量存储能力和电池充放电周期比目前使用的类似设备更好。它也能在300摄氏度的高温条件下工作，因此它让移动设备更加耐用，且不容易因为滥用而成为火灾隐患。

Kalra说：

“为了到达工业相关的电极厚度和负载，我们设计出一种衣服一般的电极，由纳米纤维组成，具有一种定义明确的三维开孔结构，便于注入固体电解质前体。开孔电极也不含有作为绝缘体使用且会降低性能的粘合剂。”

生产这种耐用设备的关键就是纤维般的电极框架。团队采用一种称为“静电纺丝”（electrospinning）的工艺制造它。该工艺以一种纤维垫的形式沉积碳前体聚合物溶液，并通过旋转磁场挤压它，这个工艺从微观层面看起来很像棉花糖。

然后，ionogel被吸收进碳纤维垫子中，创造出一种完全的电极电解液网络。它优异的性能特征也与这种连接电极和电解液的独特方式联系起来。这是因为它们在更大的表面积上相互接触。

如果你将能量存储设备看成一碗玉米片，而能量存储发生的地方大致就是玉米片碰到牛奶的地方，科学家称之为“双电层”，它就是存储电力的导电电极碰到携带电荷的电解液的地方。理想地说，在你的玉米片粥碗里，牛奶会通过所有的玉米片，为每个玉米片涂上一层，使它们不会太脆也不会太软。但是有时候，玉米片会发生堆积，而牛奶（用来比喻电解液）无法通过玉米片，所以顶部的玉米片是干的，而底部的玉米片被牛奶浸润。这并不是一碗好的玉米片粥，也就是说它的电化学等价物（在电极中的电子在通往激活点的路上发生交通阻塞）对于能量设备来说并不是理想的。

Kalra的固态超级电容就像将切碎的小麦而不是玉米片放进碗里。这种开发架构让牛奶渗透并覆盖谷物，就像ionogel渗透进Kalra的固态超级电容中的碳纤维垫一样。碳纤维垫为来自ionogel的离子访问电极提供了更大的表面积，增加了容量，提高了能量存储设备的性能。它也消除对于许多脚手架材料的需要，这些材料是形成物理电极的必要部分，但是在能量存储过程中并没有起到作用，却为设备的整体总量贡献了很多。

价值

Kalra表示：

“我们已经完全消除了这些设备中容易起火的组件。并且，为了这么做，我们也设计出一个能够让能量存储设备变得更轻更好的电极。”

“先进的电极由超细粉末组成，这些粉末与粘合剂混合制成浆体，然后放进设备中。这些粘合剂增加了设备的总量，因为它们不是导电材料，且它们实际上阻碍了性能。我们的电极是独立式的，这样消除了对于粘合剂的需求，它的加工占电极制造成本的20%。”

Kalra研究组的下一步工作是将这项技术应用于固态电池的生产以及探索智能织物方面的应用。