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王超觀察裝盛在器皿中具有自我修復(fù)能力的高分子材料

　　在全球范圍內(nèi)，研究人員正圍繞鋰離子電池進(jìn)行著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，他們工作的目標(biāo)是尋找到在鋰離子電池負(fù)極存儲(chǔ)更多電能的途徑，以便更進(jìn)一步地提高鋰離子電池的性能，同時(shí)降低電池的重量。迄今為止，人們認(rèn)為最具有發(fā)展前景的電極材料之一是硅。電池在充電時(shí)，硅材料電極擁有極強(qiáng)的從電池液中攝取鋰離子的能力；放電時(shí)，它能迅速地釋放存儲(chǔ)的鋰離子讓電池輸出電能。

　　但是，如此高性能的后面則是高昂的代價(jià)。每當(dāng)電池充電時(shí)，硅電極的體積會(huì)膨脹至正常大小的3倍，放電后再恢復(fù)至原形。于是，具有脆性的硅材料很快就會(huì)出現(xiàn)裂痕并脫落，嚴(yán)重地影響電池的性能。對(duì)于高性能電池來(lái)說(shuō)，電極的缺陷是它們普遍具有的問(wèn)題。不過(guò)，鋰離子電池電極的問(wèn)題有望在不久的將來(lái)得到解決，因?yàn)槊绹?guó)斯坦福大學(xué)和能源部科學(xué)家近日表示，他們首次研發(fā)出了能夠進(jìn)行自我修復(fù)的電池電極，該研究成果為汽車、手機(jī)和其他設(shè)備制造下代鋰離子電池開(kāi)辟了新的潛在可行的途徑。

　　斯坦福大學(xué)和能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究小組介紹說(shuō)，自我修復(fù)電極采用已廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池行業(yè)的硅微粒材料制成，其核心是在電極表面覆蓋具有延展性的高分子涂層，該材料相互間緊密相連。電池在工作時(shí)，如果涂層出現(xiàn)微小裂痕，高分子材料能夠自我修復(fù)這些裂痕。相關(guān)的研究報(bào)告將發(fā)表在最新的《自然·化學(xué)》雜志上。

　　斯坦福大學(xué)博士后、文章作者之一王超(音譯)表示，動(dòng)物和植物的自我修復(fù)能力對(duì)它們的生存和長(zhǎng)壽十分重要，研究小組所希望的是將自我修復(fù)的特性在鋰離子電池中體現(xiàn)出來(lái)，以便電池具有更長(zhǎng)的壽命。在斯坦福大學(xué)鮑振安(音譯)教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室中，王超開(kāi)發(fā)出了自我修復(fù)的高分子材料。鮑教授的研究小組從事彈性電子皮膚材料的研究，該材料用于機(jī)器人、假肢等。清華大學(xué)研究人員吳輝(音譯)是文章的主要作者之一，他曾在斯坦福大學(xué)做博士后研究。

　　在電池項(xiàng)目上，研究人員將微小的碳納米粒子加入高分子材料中讓其導(dǎo)電。為獲得自我修復(fù)涂層材料，他們有意地采取措施，弱化了高分子內(nèi)某些化學(xué)鍵，如此處理后的材料容易出現(xiàn)斷裂，但是斷裂端又能以化學(xué)方式相吸引，很快再次連接起來(lái)，如同DNA等生物分子實(shí)現(xiàn)組裝、重排和斷裂的過(guò)程。

　　研究顯示，自我修復(fù)電極在經(jīng)過(guò)上百次充/放循環(huán)后，電能存儲(chǔ)能力沒(méi)有顯著的下降。鮑教授說(shuō)，在電池電極具有自我修復(fù)高分子涂層后，由于高分子材料能在數(shù)小時(shí)內(nèi)修復(fù)自身的微小裂痕，因此電池的壽命延長(zhǎng)了10倍。SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室教授、與鮑教授共同領(lǐng)導(dǎo)研究的副教授崔毅(音譯)認(rèn)為，現(xiàn)在電池儲(chǔ)能的能力已實(shí)現(xiàn)了實(shí)用范圍值，不過(guò)他們?nèi)詫⒗^續(xù)向更高的目標(biāo)努力，因?yàn)樯习俅纬?放電的數(shù)據(jù)離手機(jī)500次以及電動(dòng)汽車3000次充/放電的目標(biāo)還有相當(dāng)大的差距。

　　崔毅和其他地方的研究人員一樣，為保持硅電極不變和改善它們的性能，對(duì)不同的方法進(jìn)行了大量的研究。雖然有些研究成果得到了商業(yè)應(yīng)用，但是這些方法中采用了有毒材料和加工技術(shù)，這給大批量生產(chǎn)帶來(lái)了難題。研究人員此次開(kāi)發(fā)的由硅微粒制成、其外具有導(dǎo)電高分子涂層的自我修復(fù)電極是人們首次尋找到有望賦予實(shí)際應(yīng)用的電極。研究人員表示，他們的成果還有望用于研發(fā)其他的電極材料，他們將繼續(xù)改進(jìn)新技術(shù)，提高硅電極的性能和壽命。