多年來，科學家和工程師一直在嘗試想方設法提高儲能系統的效率。這體現在幾個方面，包括嘗試增加儲能設備的存儲容量，減小設備的尺寸，開發可以快速充電的儲能設備，甚至制造混合設備，將多種設備的最佳特性結合起來單個設備——一個例子是混合電池-超級電容器模塊。

在我們的日常生活中，對電子設備的依賴程度越來越高，這催生了對更高效率、更小尺寸和更快充電速率的需求。因此，開發人員不斷努力改進這些設備并在保持或減小尺寸的同時提供更多功率。許多傳統的制造方法限制了開發人員使用散裝材料制造這些材料的規模和效率，因此許多學術科學家1和工業制造商現在正在轉向納米材料來解決這些挑戰。在過去幾年中，納米技術對這些設備的影響如此顯著，以至于我們現在開始在市場上看到一些使用納米材料的商業儲能設備，其中許多用于消費產品。

為什么納米技術對儲能設備有影響

納米材料展現出的特性使其成為各種儲能設備的理想選擇。由于納米材料可能具有彼此截然不同的特性，因此開發人員在改進儲能設備方面擁有無限可能。

儲能設備的主要優勢之一是某些納米材料的高導電性和電荷載流子遷移率，這使電子能夠更有效地傳輸和存儲。在納米尺度上看到的量子效應也可以在一些納米材料中得到增強。一些納米材料擁有量子阱——能量勢阱——如果勢阱足夠靠近，電子可以在量子阱之間形成隧道。這意味著在某些納米材料中，電子可以穿過材料而不會受到構成設備的任何化學鍵的阻礙，這反過來又意味著它們不會損失能量。

納米材料本身也很小和/或很薄，這使它們能夠在不影響設備效率的情況下構建消費者想要的微型設備。與用于存儲電荷和/或離子的散裝材料相比，納米材料還具有廣泛的活性表面積，具體取決于存儲設備。

其他一些納米材料具有令人難以置信的絕緣性，可以承受高溫——遠高于大功率電子設備發出的熱量。隨著每一代技術的發展，電子設備不斷產生更多的熱量，這些絕緣納米材料不僅有助于保護設備的電氣性能，而且有助于保護設備的電氣性能。它們通常可以在設備內散發熱量，這意味著不太可能出現熱點和局部損壞，從而延長設備的使用壽命。

不同的納米材料對儲能設備的性能產生了影響，使用一種以上的納米材料來改善設備的多種性能和/或在有助于提高設備效率的納米材料之間產生協同效應的情況并不少見。通常情況下，開發人員可以將一種以上的納米材料相互結合使用以提供增強的優勢。一個例子是將電絕緣（介電）納米材料堆疊在高導電納米材料之上，以減少向周圍環境的能量損失，保護電子電荷載流子，并且在某些情況下，有助于操縱電子的方向。

納米技術在哪里產生影響

納米材料現在被用于許多儲能系統。其中，電池是最常見的，現在生產的商用電池都含有納米材料。鑒于鋰離子電池對制造商來說是最大的市場，這是影響最大的地方，但它們也被用于生產商用鋰硫 (Li-S) 電池。雖然電池中納米材料的大部分用途是在電極中，但它們也以固體和凝膠形式用作某些電池中的電解質。

這種小尺寸電池變得有用的另一個關鍵領域是不斷發展的柔性和可穿戴電子設備領域。除了獨立設備外，還開發了許多使用能量存儲為設備供電的電子紡織品2，這些設備之所以成為可能，是因為其中使用的納米材料尺寸小且效率高。

除了電池之外，一些納米材料被用于構建下一代超級電容器，并且正在開發一些模塊，它們是電池和超級電容器的混合體，以嘗試利用兩者的有益特性，同時嘗試消除與兩者相關的問題.

這些儲能系統用于許多不同的現代技術，納米儲能設備在小型（手持式）系統和大型儲能系統（如電動汽車）中具有潛力。事實上，納米材料被吹捧為最有前途的方法之一，可以改善目前電動汽車中使用的許多電池相對較差的充電和儲能能力。

雖然受納米技術啟發的儲能設備具有更大系統的功能，但它們目前在便攜式和手持設備中更為普遍。一個典型的例子包括用于納米物聯網 (IoNT) 的智能手機。IoNT 意味著需要更小的傳感器，而基于納米技術的電池提供了一種為此類設備供電的方式，典型應用領域涵蓋從醫療傳感到環境監測。

結論

許多納米材料具有非常適合改善許多儲能設備的性能、尺寸和充電能力的特性。隨著對更小但更高效設備的需求不斷增長，納米材料將在這些設備中發揮比現在更大的作用。我們已經開始看到商業系統在一系列手持消費產品中進入市場。隨著越來越多的最終用戶制造商采用這些技術，這些市場可能會增長。

審核編輯黃昊宇