范德比尔特大学研究生Anna Douglas正手持一个电池，该电池加入了数百万黄铁矿量子点。来源：John Russell, Vanderbilt University

如果你在手机电池中加入量子点，那么电池将会在30秒钟内充电完毕，但是其效果只能维持几个周期。然而，来自范德比尔特大学的研究人员开发了一种方法来克服这个难题：用硫铁矿来制作量子点，即常说的黄铁矿，可以提高电池充电速度，并且可持续几十个周期。

黄铁矿是地表中最丰富的材料之一，因此该团队对其非常感兴趣。黄铁矿的原始形式是煤炭生产的副产品，由于非常便宜，因此常用于锂离子电池中，但是使用一次之后就废弃掉。在进行研究中，研究人员也遇到了如何用纳米粒子来提高电池性能的难题。

“研究人员表明，纳米材料可有效提高电池的性能，但是也有限制。当粒子的尺寸小到只有几个纳米时，其会和电解质发生反应，因此充放电的次数不多。因此这在商用锂离子电池中是禁止的。”Pint说。在Douglas的帮助下，该小组开始研究这种超小型粒子。他们将数百万不同尺寸的黄铁矿量子点加入到标准锂离子电池中，研究结果表明当粒子尺寸为4.5纳米时，其效果最好。这可以同时提高电池的循环性和充电速率。

研究人员发现，他们之所以得到这样的结果，是由于硫铁矿具有独特的方式，可改变铁和锂——硫化合物的形式来储存能量。“你可以想象它像香草蛋糕。传统电池材料存储锂或钠时，就像堆巧克力片成蛋糕一样，然后将完整的片拉出来。但是我们的材料非常有趣，你把巧克力片制成成香草蛋糕，并将其变成一个巧克力片配香草蛋糕。”Pint说。因此，限制使用超小型纳米粒子的规则不再适用了。事实上，该研究中纳米粒子尺寸越小越好。“和锂离子或者钠离子电池要求将纳米粒子拖进拖出不同，黄铁矿的存储要求铁离子的扩散。不幸的是，铁离子的扩散非常慢，要求其尺寸小于铁离子扩散长度，而这只有超小型纳米粒子可以满足条件。”Douglas说。

该小组的研究可观察到特殊现象：超小型纳米粒子可允许铁离子运动到材料表面，而钠离子或者锂离子却会和黄铁矿中的硫发生反应。而这对于大粒子来说是不会发生的，铁离子无法运动到材料表面，从而降低其储电性能。Pint相信，化学储存机制和纳米尺寸的影响的进一步理解对于促进电池性能的提高直观重要，并且也会促进电动汽车的发展。“在未来电池可以在数秒钟完成充电，新型工具的发展可以使得我们设计材料的纳米结构，从而使得电池可以进行上万次的循环利用，将有利于电池行业的发展。而我们的研究是这个方向上的直观重要的一步。”

该论文的作者包括Pint 、Douglas、机械工程研究生Rachel Carter 和 Adam Cohn、交叉学科材料科学研究生Keith Share 和Landon Oakes。该研究由美国国家科学基金会和美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目资助。

新材料在线编译整理——翻译：杨超    校正：摩天轮