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升级电池:电极材料配合新型粘合剂是现实选择

钜大LARGE  |  点击量:912次  |  2021年09月13日  

体积更小、容量更大是我们对电池的一种最终梦想,但这两种要素在绝大多数时候都显得自相矛盾。在现有的技术条件之下,电池容量与体积正在构成一种正比关系,体积越大,电力就越持久。


这是一件很难两全其美的事。目前在世界范围内,对电池蓄容能力的开发重要采取两种办法,一种是寻找更好的电极材料,另一种就是改变电池的加工工艺。而我国科学院化学研究所研究员郭玉国告诉《第一财经周刊》,前者的摸索已经接近了极限,后者要付出的成本也过于昂贵,无法使产品实现规模化生产。郭玉国是我国硅酸盐学会固态离子学分会理事,也曾在德国马普协会纳米能源化学重大项目组担任项目研究员。


一个完整的充放电的过程,就是锂离子向电池两极移动的过程。充电,就是将锂离子送往充电电池的正极,当所有锂离子都到达正极、填满石墨烯材料之间的缝隙的时候,电池就充满了;相反,当锂离子的电力逐步失去,它们就会往负极移动,当所有锂离子都到达负极,电力也就耗尽了。


这就是为何通常电池的体积越大、电力就越强的原因。因为有了更大的电池正极,就可以吸附更多的带电锂离子。


眼下常见的充电电池都是锂离子电池。每一块锂离子电池的正极,都被装上了石墨烯材料。更简单地说,这是一种碳层,用来吸附存储了电力的锂离子。


为了提高对锂离子的吸附能力,人们已经不止一次地在改善电极材料上做出尝试。


芝加哥西北大学的化学和生物工程系教授HaroldKung曾想出了一种办法,他把另一种可以吸附锂离子的材料硅,夹在石墨烯中间。在试验中,硅可存储的锂离子数量比石墨材料要多10倍。


在充放电过程中,石墨烯和硅一起膨胀收缩,石墨烯可以保证硅的形状稳定,不至于破裂。这种办法真的使电池的储电量达到了原来的10倍。但它的缺点也很快暴露,Kung后来承认在充电150次之后,它的储电量和充电速度都会骤降,在产品耐用性方面远远达不到要求。


另外一家位于加利福尼亚的创业公司Amprius,正在试验一种可以弯曲、膨胀、四处移动的硅纳米线,将锂离子收纳其中。这种技术要一种全新工艺,这种工艺此前并没有用于电池制造,成本也不菲。


不过美国劳伦斯·伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的科学家们,现在似乎找到了一种新方法。他们正在研究的一项技术,可以使电池的电力容量提高30%以上,并且可以更小、更耐久。更关键的一点是,这一技术可以在现有的制造工艺上实现,因而不会有过多的成本支出。


他们计划将用硅全面代替石墨烯,而不是将两者混合。有一点不能否认,那就是在所有被摸索出来的方法中,硅材料有着最佳的对带电锂离子的吸附能力。


然而在电池正极上使用硅,到现在也仍然是一个大难题。劳伦斯·伯克利实验室环境能源技术部的研究员刘高作的一个比喻是:石墨就像海绵,当它吸收锂离子之后,会保持形状;但硅却更像一个气球,在充放电的过程中会膨胀和收缩,一旦发生碎裂,就会完全失去导电性。


石墨烯毕竟不是粘合剂,它无法粘住那些可能发生破碎的硅颗粒,让它们一直保持高导电性,同时富有弹性。这正是Kung的计划失败的原因。


是的,粘合剂,刘高计划用它将电池正极上的硅材料粘在一起。在目前的电池制造工艺中,本就会在石墨颗粒表面涂抹一种粘合剂。使用粘合剂的理念,无需对现有制造工艺做出太大改动,对生产厂商而言不会造成额外的技术负担。


利用硅和新型粘合剂的结合,的确是现有技术条件下,最有效的一个突破方向。郭玉国说。


这一计划的另一个关键角色是3M公司。刘高的小组目前正在与3M公司合作,测试一种新型的粘合剂。作为全球知名的化学材料公司,3M在粘合剂研究领域一直保持着领先地位。


刘高与一些理论化学家一起,在由3M供应的众多的聚合物中寻找具有电气性能的,一旦发现就想办法让它们变得更加有粘性,这要漫长而枯燥的测试。


目前实验小组已经测试了650个充电周期。他们已经测试出的一种粘合剂,用在其他材质的电池上,包括对锡制成的电池也同样有效。现在刘高已经拿到了这种粘合剂的专利。


3M公司还证实,旗下的厂计划扩大硅基电池材料的生产规模,为未来新型电池的量产做准备。


这个未来可能不会太遥远。按照已经公布出来的数据,利用硅材料和粘合剂,新型电池可以达到的存储容量为每克1400毫安时,这意味着它在1小时内完全放电的电流将达到1300毫安,这一数字比传统阳极存储的300毫安高多了。


这是一个好消息,未来的电子产品或许不会再遭遇苹果公司NewiPad的尴尬:出于对提高电池容量等多方面的考虑,NewiPad将产品厚度从上一代的8.8毫米新增到了9.4毫米。但即便只有0.6毫米,一些用户也并不买账,认为这有违苹果新一代产品会更轻更薄的传统,并且影响使用。


假如新型电池能应用到纯电动汽车等更大型的设备上,会是另外一番情景。比如你可以开着电动汽车来一次长途旅行,而无需像现在这样极度依赖充电站。


你看,升级电池实际上也完全可以成为提升用户体验的一部分。



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