纳米材料的加持，将对储能设备带来怎样的影响
发布于2023-03-21
多年来，科学家和工程师一直在寻求提高储能系统效率的方法， 主要涉及以下几个方面：尝试增加储能装置的存储容量，减小装置的尺寸，开发可以快速充电的储能装置，甚至是制造将多个装置的主要特性集成到单个装置中的混合装置（如混合型超级电容电池模块）。
近年来，随着社会的发展变化，我们在日常生活中对电子设备的依赖性也变得越来越强，因此对更高效率、更小尺寸和更快充速度的产品需求日益提升。开发人员也一直在不断努力改进这些设备，以求在保持或减小尺寸的同时提供更高的能量。许多传统制造方法限制了开发人员使用体材料制造高效小型产品的能力，因此学术科学家和工业制造商现在开始转为利用纳米材料来解决这些挑战。在过去几年中，由于受到纳米技术的重要影响，以至于我们现在可以在市场上看到越来越多采用纳米材料的商业储能设备，其中主要为消费类产品。
纳米技术影响储能设备的原因分析
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。由于纳米材料之间可能具有彼此截然不同的特性，因此为开发人员改进储能设备以及开发其他应用领域提供了各种可能。
某些纳米材料的高电导率和电荷载流子迁移率成为了储能设备的主要优势之一，能够更有效地传输和储存电子。对于部分纳米材料来说，纳米尺度下的量子效应也有助于增强上述功能。而有些纳米材料具有量子阱（即能量势阱），当两个势阱靠的足够近时，电子可能会发生隧穿。这就意味着，电子可以不受任何化学键阻碍地穿过某些纳米材料，而没有能量损耗。
纳米材料本身就很小和/或很薄，因此能够制造出我们所需要的微型设备，而不会影响其运行效率。与可用于存储电荷和/或离子（具体取决于存储设备）的体材料相比，纳米材料还具有非常大的活性表面积。
其他一些纳米材料也具有极佳的绝缘性，能够承受的温度远高于大功率电子设备所释放的热量。随着技术的不断更新迭代，电子设备产生的热量也逐步攀升，这类绝缘纳米材料不仅有助于保护设备的电气性能，还可以释放设备内部生成的热量，因此一般不会出现热点和局部损坏的现象，从而可以延长设备的使用寿命。
不同的纳米材料会对储能设备性能造成不同的影响，因此通常会使用一种以上的纳米材料来改善设备的多个性能，和/或诱导纳米材料之间的协同效应，从而形成更高效的设备。通常，开发人员可以结合使用一种以上的纳米材料，以进一步提升优势。例如，将电绝缘（介电）纳米材料放在高导电纳米材料之上，可减少能量损耗，保护电荷载流子，在某些情况下，甚至还能控制电子的运动方向。
受纳米技术影响的领域
纳米材料现在被广泛用于各种储能系统。其中，最常见的就是电池，现在的商用电池都含有纳米材料。虽然锂离子电池仍占据着巨大的市场，影响也最大，但制造商们已开始投入生产商用锂硫 (Li-S) 电池。纳米材料在电池中应用最多的是电极，但它们也以固体和凝胶形式用作某些电池中的电解质。
除电池外，有些纳米材料还被用于打造新一代超级电容器，如电池和超级电容器的混合体等模块，以尝试在利用两者优势的同时消除相关问题。
在很多现代技术中，都有这些储能系统的身影，纳米储能设备在小型（手持式）以及大型储能系统（如电动汽车）中具有很大的应用潜力。事实上，对于改善目前电动汽车所用电池相对较差的充电和储能能力，纳米材料可以说是最有效的方法之一。
虽然采用纳米技术的储能设备可以用于较大的系统，但目前更常见的应用领域还是便携式和手持设备， 比如，用于纳米物联网 (IoNT) 的智能手机。IoNT需要更小的传感器，而纳米电池为此类设备提供了一种供电方式，典型应用领域包括医疗传感、环境监测等。
这种小尺寸电池的另一个主要应用领域是不断发展的柔性和可穿戴电子设备。除了独立设备外，还有许多正在开发中的电子设备（使用储能和能量采集设备供电），它们的成功皆得益于所用纳米材料的尺寸和效率优势。
结语
许多纳米材料都具有能改善储能装置性能、尺寸和充电能力的性能。随着对更小、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以往更大的作用。商用系统已经开始进军手持式消费品市场，而越来越多终端用户制造商的加入，也意味着这项技术将拥有非常广阔的应用前景。
作者简介
Liam Critchley是一位作家、记者以及技术布道者。他专注于化学和纳米技术，以及如何将分子水平上的基本原理应用于更多不同的领域。Liam最出名的可能是他教授知识的方法，他可以向科学家以及非科学家解释复杂的科学问题。Liam在化学和纳米技术交叉的各个科学领域和行业发表了350多篇文章。Liam目前担任欧洲纳米技术产业协会（NIA）的高级科学宣传人员，并且在过去几年的时间里为全球不同地区的公司、协会和媒体网站撰写文章。在成为作家之前，Liam获得了纳米技术和化学工程两个硕士学位。除了写作，Liam还是美国国家石墨烯协会 (NGA)、全球纳米技术世界网络 (NWN) 的顾问委员会成员、英国科学慈善机构葛兰西的董事会成员， 以及英国纳米医学学会 (BSNM) 和国际先进材料协会 (IAAM) 的成员，也是多个学术期刊的同行评审。