昆士兰理工大学模仿竹子结构开发电池电极 加快充电速度

竹子内部有一种载水膜，使其成为世界上生长最快的植物。据外媒报道，昆士兰理工大学（Queensland University of Technology）以此为灵感，开发出更高效的电池电极，从而加快充电速度。该研究项目建立在先前关于二维纳米材料（超薄材料）的工作基础上，这种材料可以在电池中非常快地传输离子。

（图片来源：昆士兰理工大学）

Ziqi Sun实验室一直在探讨，如何充分模仿自然物质的结构和光学性能，利用低维纳米材料开发可持续能源解决方案。

这一突破的灵感来自于对竹茎内部多层膜的研究。这种薄膜大约和一张纸一样厚，可以超快地将水和营养物质输送到竹子上。据报道，竹子可以每小时约40毫米的速度生长。Sun教授表示，这种膜是由多层组成，在最靠近竹茎内环的一侧，这些层非常紧密地排列在一起，而在最靠近中心的一侧则分开得更远。

研究人员发现，这种多级夹层结构，使水和电解质能以两种方式穿过竹子。具有有限间距的内层结构，使液体和电解质能够实现“超流体”移动，这意味着液体可以非常快地穿过植物。外层各级之间具有更多的空间，允许液体更快地分散在整个结构中。

研究人员模仿竹膜的这种层状结构，利用氧化钴和石墨烯纳米片层制造了一种薄膜，并对片材的一侧施加吸力。通过增加膜厚度产生的压降来控制生成膜的层间距，以实现对间距的精确控制。最接近的层被紧紧地拉在一起，其间距离小于5nm，随着层的增加，吸力减弱，外层之间的距离高达2200nm。

这种仿生膜呈50mm圆形，只有几十微米厚，由数千层组成。在锂离子电池中测试传输离子的能力时，比起通常用于电池电极的其他材料，这种多级2D薄膜的表现更加出色。通过精确控制的纳米流体夹层，实现电解质快速扩散，并传输离子和电荷，进而控制材料和器件的性能。

在测试膜体可湿性时，即液体与固体表面保持接触的能力，这些仿生膜对有机电解质表现出超润湿行为。因此，电解质可以没有障碍地从表面接触和进入膜。

这有助于深入了解2D基电极。该电极通过多级通道设计，实现快速表面渗透和层间超快离子传输。Sun表示：“这项研究为设计高性能能源材料提供了新原则。最重要的是，通过向伟大的大自然学习，为未来的材料干预铺平了道路。”