根据分析师FrostandSullivan的说法，世界各地的交通和通信越来越依赖锂离子电池，手机在六大洲无处不在，而电动汽车的速度将从2009年的10亿美元加速到2016年的140亿美元。

能源存储集团经理AhmadPesaran说，NREL的能源存储集团正在与能源部，汽车电池开发商和汽车制造商合作，以提高先进锂离子电池的性能和耐用性，从而实现更清洁，更安全的运输未来。“纳米管方法代表了一个激动人心的机会-提高可充电锂离子电池的性能，同时延长使用时间，”Pesaran说。“提高可充电电池的寿命和性能将降低整体电动汽车的成本，并减少对外国能源的依赖。”

NREL的科学家已经开发出结晶纳米管和纳米棒，以应对锂离子电池固有的主要挑战：它们可能过热，重量太大，并且在导电和快速充电和放电时不太稳定。

NREL最近对大大改进的电池的贡献是高性能，无粘合剂，碳纳米管基电极。该技术很快引起了业界的兴趣，并被授权给NanoResearch公司批量生产。

纳米技术是指在原子或分子尺度上操纵物质。多么小?纳米是十亿分之一米;NREL项目中的1000个纳米管将彼此相邻排列，以穿过人类头发的宽度。

然而，NREL的科学家不仅能够制造出小而有用的物体，而且能够将它们的形态引导成特定的形状。他们将纳米管和纳米棒组合在一起，它们可以帮助电池充电，同时减少膨胀和收缩，从而缩短电极寿命。

“将锂离子电池视为鸟巢，”NREL科学家ChunmeiBan说。“NREL方法使用纳米棒来改善内部的情况，同时确保巢穴保持耐用和弹性。”

她说：“我们正在改变架构，稍微改变化学反应，”而不改变电池本身。

NREL的工作得到了能源部车辆技术办公室的支持，该办公室采用先进交通技术电池(BATT)计划，该计划的重点是降低成本，提高为电动汽车提供动力的锂离子电池的性能和耐用性。

碳纳米管均具有结合和导电性

典型的锂离子电池使用单独的材料来传导电子和结合活性材料，但NREL的方法使用碳纳米管来实现这两种功能。“这可以改善我们的质量负荷，从而将更多的能量输送到同一空间，从而为电池提供更好的能量输出，”Ban说。“NREL方法也有助于实现可逆性-化学反应的逆转，使电池在运行过程中可以通过电流进行充电。如果我们能够提高耐用性和可逆性，我们绝对可以节省资金并降低成本。”

单壁碳纳米管(SWCNT)价格昂贵，但在该领域工作的科学家和工程师相信，随着基于SWCNT的电极的使用范围越来越广，它们的价格将降到他们在电池中具有经济意义的程度，Ban说。

在锂离子电池中，锂离子通过电解质在石墨阳极中来回移动;离子注入石墨碳层之间，这种碳层耐用但不必要地密集。同时，电子通过从阴极到阳极的电负载流到电池外部。电解质在可充电电池中是必不可少的，因为它们通过允许离子转移来关闭电池内部的电路。否则，电池不能继续从正极向负极导电并再次返回。

当从电极材料注入和提取锂离子时，诸如金属氧化物和硅阳极的高能材料具有大量的体积变化。它们膨胀和收缩，聚集成簇并相互接触，同时收缩，导致坍塌和随后的裂缝，这可能损害性能，导致电极损坏，从而降低寿命。

某些金属氧化物比使用电极组合的石墨做得更好。但是，虽然它们在能量含量和逆转功能方面有所改进，但它们仍然有助于体积的大幅扩张和内部结构的破坏。

NREL团队转向氧化铁，这种氧化物丰富，安全，价格低廉，并且显示出巨大的希望。然而，为了有效，氧化铁纳米粒子的尺寸必须恰到好处-并且必须保持在强大的基质中，该基质既灵活又有弹性，可以在最佳导电的同时处理大量的变化。

NREL利用SWCNT的独特性能，同时解决了热量，重量和放电的挑战。“我们在这个灵活的网络中使用碳纳米管来制作导电绳状包裹，”Ban说。因此，当存在收缩时，这些包裹允许电子到达氧化铁并继续在导电路径上不减。使用纳米颗粒缩短了扩散长度，增强了快速充电和放电的能力。使用丰富的廉价材料意味着对钴等昂贵金属的需求减少，目前用于锂离子电池的阴极，降低了整体成本。“

建立更好的阳极和阴极

具有氧化铁溶液的SWCNT产生的功率密度是石墨的三倍，这意味着强大的性能，同时消除了依赖于石墨的电池的大部分重量。为此，必须使氧化铁颗粒均匀分布在环绕的纳米管内。

Ban和NREL的同事WuangchunWu使用水热合成和真空过滤来制造锂离子阳极，这种阳极不需要典型的粘合剂(粘合强度使电池能够承受充放电循环)而且具有高容量。第一步是制备氧化铁纳米棒作为制造电极的前体。Ban和她的同事们发现，在450°C时，用SWCNT退火氢氧化铁纳米棒会产生氧化铁。并且，SWCNT仅占重量的5%。SWCNT不仅实际上促进了氧化铁颗粒的形成，而且确保了两种材料之间的良好物理和电接触。

对于阴极电极，它们在纳米管中嵌入NMC-锂镍锰钴氧化物，使纳米颗粒变得非常导电。即使经过500次充电和充电循环，所得到的纳米复合材料仍保留其原始存储和传导电荷能力的92%。

湿化学合成专业知识引导理想形态

Ban说，这并不像简单地将纳米材料放入电池那么容易。“你需要一个特殊的流程才能让它发挥作用。”Ban和她的NREL同事Wu和AnneDillon使用真空过滤工艺将廉价的氧化铁与碳纳米管结合起来。

Ban将她在湿化学合成方面的经验带到了影响纳米材料形状的挑战，使其成为棒状。“我们知道如何改变合成条件来指导设计或实现纳米材料的结构和形状，”Ban说。

他们之所以选择棒形，是因为他们认为纳米线和纳米管的曲率很好地结合在一起，围绕它们形成一个坚固的电极。非常长且非常柔韧的纳米材料束对电极的优越特性至关重要。它们与颗粒紧密结合，其孔隙度允许理想的扩散。

一个可充电的电池

NREL构思的创新电极意味着锂离子电池具有出色的容量，性能和安全性。

创立NanoResearch公司的DavidAddieNoye计划将成熟的纳米科学创新商业化，并访问了NREL，看到了这一过程，并决定授权该技术。纳米材料化学创新和制造工艺创新导致无粘合剂电极“改变了游戏规则，因为它有助于解决锂离子电池行业几十年来无法解决的根本问题，”他说。

NREL方法提供的锂离子电池的改进也可以改变便携式消费类电子产品，如笔记本电脑，平板电脑，手机和便携式媒体，以及随着更多产品将变得越来越重要的固定式储能设备。可变生成可再生能源进入电网。

“我们没有制造新电池，但我们正在通过使用SWCT包裹的金属氧化物阳极来改变架构，”Ban说。“通过这样做，我们改善了质量负荷，每重量的能量输出和体积。”该过程确保更快的充电，这对制造商及其客户来说是最重要的。这意味着减少到充电站的次数，以及一直保持进出的电池。