美國研發(fā)更厚、更密集電極 可制成更高性能的電動(dòng)汽車電池

隨著全球的能源消費(fèi)轉(zhuǎn)向電氣化程度更高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、降低對(duì)化石燃料的依賴以及優(yōu)先考慮氣候修復(fù)，大家對(duì)高性能電池，特別是用于電動(dòng)汽車的高性能電池的需求正在激增。據(jù)外媒報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）的研究人員與合作伙伴研發(fā)了一種新型制造方法，可以制造出更高效、能量與功率水平保持不變的電池。

更厚、更密集電極（圖片來源：賓夕法尼亞州立大學(xué)）

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)工業(yè)與制造工程助理教授Hongtao Sun所說，此種得到改進(jìn)的電極制造方法可能會(huì)生產(chǎn)出高性能電池，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的電動(dòng)汽車，還可以帶來提升電網(wǎng)儲(chǔ)電功能等益處。

(資料圖片僅供參考)

Sun教授表示：“我們希望現(xiàn)在的電池可以讓汽車行駛更長的距離，希望能夠在5分鐘或者10分鐘內(nèi)給汽車充滿電，就跟加油的時(shí)間一樣。在我們的研究中，我們考慮了如何通過讓電極與電芯更加緊湊、采用更高比例的活性成分以及更低比例的被動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。”

如果電動(dòng)汽車制造商想要提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，就需要增加更多的電池，數(shù)量可達(dá)到數(shù)千塊。據(jù)Sun教授所說，電池越小、越輕，才越好。

Sun教授表示：“讓電動(dòng)汽車能夠行駛更長距離的解決方案就是增加緊湊型電池，但此類電池需要擁有更密集、更厚的電極。”他解釋道，此類電極能夠更好地連接和驅(qū)動(dòng)電池組件，讓它們更活躍。“雖然此種方法會(huì)略微降低每電極重量的電池性能，但通過減少電池組重量和電動(dòng)汽車所需的能量，可顯著提高車輛的整體性能。”

更高效的電極——電池中一種電能通道——可以幫助電池獲得更高比例的活性成分。

Sun教授表示：“考慮到電池的核心元件中，只有電極對(duì)電池性能有貢獻(xiàn)，封裝、分離器、集流器等其他部件都是只增加重量、對(duì)電池性能毫無貢獻(xiàn)的被動(dòng)元件。如果我們想要提升電池性能，我們需要研究電池電極材料，并在電芯中最大限度地提升其重量百分比。”

之前通過采用更好的電極來提升電池性能的研究都只集中在一個(gè)指標(biāo)上，這并不高效因?yàn)殡姵卦谄渌笜?biāo)上表現(xiàn)不佳。例如，當(dāng)電池優(yōu)先考慮高重量性能（相對(duì)于重量可存儲(chǔ)的能量總量），可能會(huì)導(dǎo)致面積性能（每單位面積可以存儲(chǔ)多少電荷）和/或體積性能（相對(duì)于電池尺寸可提供的電荷總量）的降低。

通常來看，電池由陽極和陰極薄膜電極組成，電極位于兩個(gè)電流導(dǎo)體箔之間，并被絕緣體隔膜隔開。增加此類電極的厚度可提供更多存儲(chǔ)和釋放能量的空間，以提高能量的存儲(chǔ)容量和密度。更厚的電極可以存儲(chǔ)更多的電荷，也就是容納更多的能量，就像更大的水箱可以存儲(chǔ)更多的水。不過，此類電極的電荷傳輸能力較差，會(huì)降低電池的整體性能。

Sun教授及其團(tuán)隊(duì)專注于制造更厚的電極，并優(yōu)化其電荷傳輸途徑，以實(shí)現(xiàn)面積、體積和重量這三個(gè)指標(biāo)的高性能。

為了克服較厚電極電荷傳輸動(dòng)能較差的挑戰(zhàn)，研究人員研發(fā)了一種將火花等離子燒結(jié)（SPS）應(yīng)用于電極的方法。SPS是一種節(jié)能技術(shù)，利用熱能和壓力將材料壓縮并致密成固體物體，如電極。

Sun教授表示：“SPS讓我們制造出一種非常厚且密集的電極。一般電池電極的厚度只有大約50微米至100微米。但該項(xiàng)研究中的電極厚度為300微米，500微米，是當(dāng)前電池設(shè)備中電極質(zhì)量比的5倍。”

該技術(shù)在電極中實(shí)現(xiàn)了垂直排列的碳網(wǎng)絡(luò)以及孔隙通道，讓陰極具有高電極密度，實(shí)現(xiàn)高體積性能以及高質(zhì)量負(fù)載（具有活性物質(zhì)）、高面積性能，同時(shí)可快速傳輸電荷。

Sun教授表示，采用研究人員新設(shè)計(jì)的厚電極具有快速電荷傳輸能力，可增加活性成分的百分比，并提高標(biāo)準(zhǔn)重量電池組的能量容量。由于該電極密度高，因而也可在相同的空間內(nèi)包裝更多的電極活性材料。

據(jù)Sun教授所說，該研究的下一步包括研發(fā)一種可大規(guī)模制造此種電極的工藝，以及研究其他策略，來減少電池重量的比例，在車輛中提供更多容納電池的空間。

Sun教授表示：“我們正在研究如何研發(fā)結(jié)構(gòu)電池，以及如何將其集成至車輛結(jié)構(gòu)中。例如，我們可以將電池集成至電動(dòng)汽車車頂，讓其真正成為車輛結(jié)構(gòu)的一部分。在此種情況下，我們可以大幅減輕車輛的重量，因?yàn)槌晒⒐δ芘c結(jié)構(gòu)結(jié)合在了一起。”

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