拯救地球的宏伟计划？科学家表示纳米材料是拯救地球的关键

建设一个保护和改善地球的能源未来是一项艰巨的任务。但这一切都取决于带电粒子在看不见的小材料中移动。

科学家和政治家们已经认识到，有必要对世界能源生产和消费机制进行紧急和实质性的转变，以遏制其向环境灾难发展的势头。如此大规模的路线调整无疑是令人生畏的，但《科学》杂志上的一份新报告表明，实现可持续性的技术道路已经铺平，问题只是选择遵循它。

这份由一个国际研究团队撰写的报告，阐述了在过去20年里，用于能源存储的纳米材料领域的研究如何推动了利用可持续能源所必需的一大步。

“推动可持续发展所面临的大多数重大问题都与更好的能源储存的需求有关，”著名大学德雷塞尔大学工程学院巴赫教授、博士尤里·戈戈西(Yury Gogotsi)说。“无论是更广泛地使用可再生能源、稳定电网、管理我们无处不在的智能互联技术的能源需求，还是将我们的交通工具转向电力——我们面临的问题是如何改进储存和分配能源的技术。经过几十年的研究和发展，这个问题的答案可能由纳米材料提供。”

作者对纳米材料的储能研究现状进行了全面的分析，并提出了该技术实现主流可行性的研究和开发方向。

从《绿色新政》到《巴黎协定》，再到各种区域碳排放政策，几乎所有关于能源可持续性的计划都宣称有必要控制能源消费，同时开发新的可再生能源，如太阳能和风能。这两项工作的瓶颈是需要更好的储能技术。

将可再生资源纳入我们的能源网的问题是，鉴于……自然的不可预测性，很难管理能源供应和需求。因此，大规模的能量存储设备是必要的，以容纳所有产生的能量，当太阳是灿烂的，风是吹，然后能够迅速分配它，在高能耗时期。

Gogotsi说:“我们在收集和储存能源方面做得越好，我们就越有可能使用本质上是间歇性的可再生能源。”“电池就像农民的粮仓——如果它不够大，建造的方式不能保护农作物，那么就很难度过一个漫长的冬天。”现在在能源行业，你可能会说，我们仍然在努力为我们的收获建造合适的筒仓——这就是纳米材料可以发挥作用的地方。”

对于那些将工程原理应用于在原子水平上制造和操纵材料的科学家们来说，打破能源储存的僵局是他们共同的目标。报告中强调，仅过去十年，他们的努力就已经改善了为智能手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力的电池。

Gogotsi说:“近年来，我们在能源存储方面取得的许多伟大成就都要归功于纳米材料的集成。”“锂离子电池已经在电池电极中使用碳纳米管作为导电添加剂，使电池充电更快、寿命更长。越来越多的电池在其阳极中使用纳米硅颗粒来增加储存的能量。

纳米材料的引入是一个渐进的过程，未来我们将在电池内部看到越来越多的纳米材料。”

长期以来，电池的设计主要是基于逐渐发现更好的能量材料，并将它们结合起来储存更多的电子。但是，最近的技术发展使科学家能够设计储能设备的材料，更好地为这些传输和存储功能服务。

这一过程被称为纳米结构，它将纳米尺度的粒子、纳米管、纳米片和纳米堆作为电池、电容器和超级电容器的新组件。它们的形状和原子结构可以加速电子的流动——电能的心跳。它们充足的表面积为带电粒子提供了更多的休息场所。

纳米材料的有效性甚至让科学家们重新思考电池本身的基本设计。金属导电的纳米材料确保了电子在充放电过程中可以自由流动，电池可以通过消除传统电池中必须的金属箔电流收集器来减轻重量和尺寸。因此，它们的外形不再是设备供电的限制因素。

电池变得越来越小，充电速度越来越快，使用寿命越来越长，耗电速度也越来越慢——但它们也可以体积庞大，充电速度越来越快，可以长时间储存大量能量并按需分配。

工程学院副教授、论文合著者Ekaterina Pomerantseva博士说:“在纳米储能材料领域工作是一个非常激动人心的时代。”“我们现在比以往任何时候都有更多的纳米颗粒，它们的组成、形状和众所周知的特性各不相同。这些纳米颗粒就像乐高积木一样，它们需要以一种巧妙的方式组合在一起，从而产生一种创新的结构，其性能要优于当前的任何储能设备。让这项任务更吸引人的是，与乐高不同的是，人们并不总是清楚如何将不同的纳米颗粒组合起来，以创建稳定的体系结构。随着这些理想的纳米结构变得越来越先进，这项任务变得越来越具有挑战性，激发了科学家的批判性思维和创造力。”Gogotsi和他的合著者认为，利用纳米材料的前景将需要更新一些制造工艺，并继续研究如何确保材料的稳定性，因为它们的尺寸是按比例增加的。

Gogotsi说:“与传统材料相比，纳米材料的成本是一个主要障碍，需要低成本和大规模的制造技术。”“但这已经实现了碳纳米管数百吨的制造，以满足中国电池行业的需求。用这种方法对纳米材料进行预处理，就可以使用目前的电池制造设备。”

他们还指出，使用纳米材料将消除对某些有毒物质的需求，而这些有毒物质是电池的关键组成部分。但他们也建议为未来纳米材料的发展建立环境标准。

Gogotsi说:“每当科学家考虑新的能源储存材料时，他们都应该考虑到它对人类和环境的毒性，也应该考虑到意外火灾、焚烧或倾倒垃圾的情况。”

这组作者认为，这一切意味着纳米技术正在使能源储存变得更加灵活，足以适应前瞻性政策所要求的能源来源的转变。