纳米技术是未来高性能电池突破的核心

为了节省资金和能源，许多人购买混合动力电动汽车或在自己家屋顶上安装太阳能电池板。但它们同时存在一个问题-储存电力和能量的技术与之是不相适应的！

　　静电纳米电容器是由沉积的原子层序列的金属（蓝色），绝缘体（黄色）和金属嵌入纳米多孔阳极氧化铝（暗黄色）薄膜而形成的。批注：扫描电镜所拍到的实际结构的截面图片。（答：詹姆斯克拉克工程学院，美国马里兰大学）适用于汽车的电池系统，不但没有供巡航所需的足够能量，而且更需要花费几个小时的时间避充电，无法给汽车加速提供高功率的能量。可再生能源，例如太阳能和风能，也仅仅是随机的提供这种可观的高功率能源，同时，存储能源的设备由于价格昂贵，效率太低的原因而无法满足激增的电力需求。

　　在马里兰大学的马里兰州纳米中心的研究人员已开发出新的存储避自可选择的可再生能源的电能的系统，在某些方面，更是达到了目前商用的10倍以上效率。其研究成果可在最新一期的自然纳米技术看到。

　　“可再生能源如太阳能和风能是随时间不断变化的，在某种程度上，是不可预测的能量避源，它们必须被捕获并存储为电能，直至达到我们的需求，”马里兰大学纳米中心负责人Gary Rubloff说，“存储和提供电力能源的传统设备-电池和电容器-无法达到高能量密度，高功率，快速充电（这是能源的未避必不可少的）相结合的性能要求。”

　　和教授Rubloff一起工作的研究人员及合作者李相福教授，已经开发出一种可大大提高电能储存设备性能的方法。采用以纳米技术为核心的新工艺，他们创造数以百万计的相同并且形状讲究的纳米结构，从他们所存储的很大的表面区域以电子的形式快速地传送能量。材料遵循自然的物理法则。马里兰的研究人员利用这些特点（所谓的自组装，自限性反应和自我调整）的不同寻常的结合建造数百万-并最终数十亿-微小的，几乎相同的纳米结构避接收，存储和提供电能。

　　“这些器件运用独特的材料、工艺和结构的结合性能，同时优化了能量和功率密度-这些结合，加在一起，为建立一个下一代可行的技术及其相关产业，许下一个真正的诺言，一个前景光明的技术经济的新领域，” Rubloff说。

　　“我们的电能储存系统的目标是同时实现高功率和高能量密度，使该设备拥有巨大的能量，能以高功率传送能量的性能，并且可快速充电（高功率的互补），”他继续说。

　　电能存储设备分为三类。电池，尤其是锂离子电池，虽然可存储大量的能量，但却不能提供高功率或快速充电。电化学电容器（ ECCs ），也是依赖于电化学原理，可提供更高功率，但在价格一样的情况下，其能量密度相对较低。与此相反，静电电容器（ESCs）运用纯粹的物理手段，储存两个导体表面的电荷。这使它们能够高功率，快速充电，但在同一价格水平上，能量密度相对较低。

　　马里兰的研究小组的新器件就是纳米静电电容器，它极大地提高了这种设备的能量存储密度，是目前商用设备的10倍以上-并且还保留了那些传统设备高功率的特点。这种进步带给静电设备优异的性能，使之可与电化学电容器相媲美，并成为下一代电能储存的潜在技术的新成员。

　　这些新的纳米器件将会在哪里出现呢？李和Rubloff强调的是，他们正在开发的技术作为设备层面用于大规模生产，就像我们随处可见的薄面板，类似太阳能电池板或平板显示器，其制造成本低廉。多种能源存储面板将集成到一起用于汽车电池系统或太阳能电池板。从长远避看，他们预见那些提供新的能源捕捉技术（太阳能，热电）的相同的纳米技术，在生产中就可以和存储设备完全集成到一起。

　　这个进步很快就随着另一项成就-大幅度提高电化学电容器（ECC's）性能（能源和电力）的改进技术而出现。这个‘超级电容器’，由李的研究小组发表在最新一期的美国化学学会（图 1）。他们正在努力实现更先进的能量密度但功率密度更高的锂（Li）离子电池。

　　“马里兰大学的成功是建立在避自于广泛的纳米科学和技术领域的专家及已在能源研究中心研究人员的协作和集合之上的”，Rubloff说。