斯坦福大学的研究人员利用铜化合物的纳米粒子开发出一种制造成本低廉的高功率电池电极，效率高且经久耐用，可用于制造足够大的电池，以便在电网上实现经济的大规模储能 - 研究人员多年来一直寻求的东西。
该研究为风能和太阳系输出急剧下降的问题提供了一个很有希望的解决方案，并且天气条件发生了微小的变化。
太阳并不总是闪耀，微风并不总是吹，其中可能是使风能和太阳能大规模使用的最大障碍。如果只有一个高效，耐用，高功率的可充电电池，我们可以用来存储大风或晴天产生的大量多余电力，直到我们需要它为止。只要我们幻想，让我们想象一下，电池也很便宜。
现在，斯坦福大学的研究人员开发出了这种梦想电池的一部分，这是一种采用铜化合物结晶纳米粒子的新电极
在实验室测试中，电极经过40,000次充电和放电循环，之后仍然可以充电至其原始充电容量的80%以上。为了比较，平均锂离子电池可以在其恶化太多而无法实际使用之前处理大约400次充电/放电循环。
“以每天几个周期的速度，这种电极在电网上有30年的使用寿命，”材料科学与工程研究生Colin Wessells说道，他是一篇描述研究的论文的第一作者。本周在Nature Communications上发表。
“这是一项突破性的表现 - 一种能够连续运行数万次而且永不失败的电池，”材料科学与工程副教授易翠说，他是韦塞尔的顾问，也是该论文的合着者。
电极的耐久性来自用于制造它的结晶铜六氰基铁酸盐的原子结构。晶体具有开放式框架，允许离子 - 带电粒子，其运动可以充电或放电电池 - 轻松进出，而不会损坏电极。大多数电池由于电极晶体结构的累积损坏而失效。
因为离子可以如此自由地移动，所以电极的充电和放电循环非常快，这很重要，因为从电池中获得的功率与放电电极的速度成正比。
为了最大限度地发挥开放结构的优势，研究人员需要使用合适尺寸的离子。太大而且离子会卡住并且当它们移入和移出电极时会损坏晶体结构。太小，它们最终可能会粘在原子之间空隙的一侧，而不是容易通过。正确尺寸的离子被证明是水合钾，与其他水合离子如钠和锂相比，它更适合。
“这非常合适 - 非常非常好，”崔说。“钾只会放大和缩小，所以你可以使用极高功率的电池。”
电极的速度进一步提高，因为Wessell合成的电极材料颗粒即使是纳米粒子标准也很小 - 仅仅100个原子。
那些适度的尺寸意味着离子不必非常远地进入电极以与颗粒中的活性位点反应以将电极充电至其最大容量，或者在放电期间返回。
最近关于电池的许多研究，包括崔氏研究小组的其他工作，都集中在具有高能量密度的锂离子电池上 - 这意味着它们对它们的尺寸负有很大的影响。这使它们非常适合便携式电子设备，如笔记本电脑。
但是，当你谈论电网上的存储时，能量密度真的无关紧要。你可以买一个像房子一样大的电池，因为它不需要便携。成本是一个更大的问题。
锂离子电池中的一些组件是昂贵的，并且没有人确切知道将电池制成用于电网的规模将是经济的。
“如果我们要为电网制造低成本电池和电池电极，我们决定开发一种'新化学'，”Wessells说。
研究人员选择使用水基电解质，Wessells称其“与有机电解质的成本相比基本上是免费的”，例如锂离子电池中使用的电解质。他们用容易获得的前体如铁，铜，碳和氮制成电池电子材料 - 所有这些都与锂相比非常便宜。
新电极的唯一重要限制是其化学性质使其仅可用作高压电极。但是每个电池都需要两个电极 - 高压阴极和低压阳极 - 以产生产生电力的电压差。研究人员需要在制造实际电池之前找到另一种用于阳极的材料。
但崔说，他们已经在研究各种阳极材料，并且有一些很有希望的候选材料。
即使他们尚未构建完整的电池，新电极的性能也优于任何其他现有电池电极，Robert Huggins，一位从事该项目的材料科学与工程的荣誉教授，称电极“引线”一个有希望的电化学解决方案，解决了风能和太阳能系统输出中大量急剧下降的极其重要的问题，这些问题是由于云在太阳能发电场上经过的简单而普通的事件造成的。
Cui和Wessells指出，其他电极材料已经开发出来，在实验室测试中显示出巨大的希望，但很难在商业上生产。这不应该是他们的电极的问题。
Wessells能够在实验室中轻松合成克数量的电极材料。他说，这个过程应该很容易扩大到商业生产水平。
“我们将化学品放入烧瓶中，你得到这种电极材料。你可以在任何规模上做到这一点，”他说。
“在足够大的规模上实现这一目标并不会产生技术挑战，无法真正建立真正的电池。”
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