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世界上最轻固体,可大幅提高锂电放电性能

世界上最轻固体,可大幅提高锂电放电性能

咦,这是什么?好像冻住的烟。

这不是烟,而是一种固体,确切的说是世界上最轻的固体——气凝胶。

气凝胶是什么?首先我们来认识下“凝胶”。

一定浓度的高分子溶液或溶胶,在适当条件下,粘度逐渐增大,最后失去流动性,整个体系变成一种外观均匀,并保持一定形态的弹性半固体,这种弹性半固体称为凝胶。

果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶,这种凝胶是被水或者其它液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的,这就是“气凝胶”。

1931年,美国科学家Samuel StephensKistler制备出了这种新材料,命名为“aerogel”,气凝胶。“aero”+“gel”十分形象地描绘出了这种新材料的特点,即一种由气体填充的凝胶。

气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点:其骨架在纳米尺度。因此,当可见光穿过时散射较小,看上去像“冻住的烟”。

气凝胶密度极低,是世界上最轻的固体。目前,最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶”,密度仅有0.16mg/cm3(去除空气密度),仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上,柔软的花蕊几乎没有变形。

世界上最轻固体,可大幅提高锂电放电性能

气凝胶的制备过程分为两步:1.制备湿凝胶;2.将湿凝胶通过特殊手法干燥。湿凝胶最传统的制备方法是溶胶-凝胶法。将含高化学活性组分的化合物分散在溶剂中,经过水解反应生成活性单体,活性单体聚合,形成溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。此时制作出来的凝胶有点类似于我们平时吃的果冻,紧接着将果冻状凝胶进一步进行干燥处理即可得到气凝胶。由于表面张力的作用,通常状态下,凝胶内液体的挥发会使得凝胶脆弱的骨架坍塌。而通过冷冻干燥技术进行干燥可以很好的解决这一问题。将湿凝胶在低温冷冻,接着置于真空条件下干燥。由于冷冻过程已经使得凝胶内的液体转变为固体,之后在真空环境中以升华的形式脱离凝胶骨架,这样就可以避免了液体挥发造成骨架坍塌的问题,得到我们所期待的气凝胶。

世界上最轻固体,可大幅提高锂电放电性能

“气凝胶有什么用途?”相信每个人都会有这样的疑问。回答也会是各式各样,“它有着极低的热导率,可以作为超级隔热材料”“它可以用作电极”……

世界上最轻固体,可大幅提高锂电放电性能

总的来讲,气凝胶的性能主要由两部分贡献:一部分是结构,简单地说就是由多孔性质衍生出的性能,比如优良的隔热性能。用火焰隔着气凝胶对一朵花进行加热,花朵几乎没有任何损伤。此外,某些气凝胶还表现出优异的吸附性能,如“碳海绵”。

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另一部分的性能来源于构成气凝胶骨架的成分处于纳米尺度。纳米尺度粒子本身具有的某些性能,以气凝胶的形式存在时,往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO2),当它以气凝胶的形式存在时,锂电池的放电性能得到了大幅度提高。

作为一种诞生于20世纪初的材料,气凝胶本不属于最近发现的“新材料”,然而其各方面的优良特性使其受到广泛关注,这种材料的应用还需要去不断研究、探索。

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