美国研发更厚、更密集电极 可制成更高性能的电动汽车电池

随着全球的能源消费转向电气化程度更高的驱动系统、降低对化石燃料的依赖以及优先考虑气候修复，大家对高性能电池，特别是用于电动汽车的高性能电池的需求正在激增。据外媒报道，美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员与合作伙伴研发了一种新型制造方法，可以制造出更高效、能量与功率水平保持不变的电池。

更厚、更密集电极（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

(资料图片)

根据宾夕法尼亚州立大学工业与制造工程助理教授Hongtao Sun所说，此种得到改进的电极制造方法可能会生产出高性能电池，进而实现更节能的电动汽车，还可以带来提升电网储电功能等益处。

Sun教授表示：“我们希望现在的电池可以让汽车行驶更长的距离，希望能够在5分钟或者10分钟内给汽车充满电，就跟加油的时间一样。在我们的研究中，我们考虑了如何通过让电极与电芯更加紧凑、采用更高比例的活性成分以及更低比例的被动元件来实现该目标。”

如果电动汽车制造商想要提升电动汽车的续航里程，就需要增加更多的电池，数量可达到数千块。据Sun教授所说，电池越小、越轻，才越好。

Sun教授表示：“让电动汽车能够行驶更长距离的解决方案就是增加紧凑型电池，但此类电池需要拥有更密集、更厚的电极。”他解释道，此类电极能够更好地连接和驱动电池组件，让它们更活跃。“虽然此种方法会略微降低每电极重量的电池性能，但通过减少电池组重量和电动汽车所需的能量，可显著提高车辆的整体性能。”

更高效的电极——电池中一种电能通道——可以帮助电池获得更高比例的活性成分。

Sun教授表示：“考虑到电池的核心元件中，只有电极对电池性能有贡献，封装、分离器、集流器等其他部件都是只增加重量、对电池性能毫无贡献的被动元件。如果我们想要提升电池性能，我们需要研究电池电极材料，并在电芯中最大限度地提升其重量百分比。”

之前通过采用更好的电极来提升电池性能的研究都只集中在一个指标上，这并不高效因为电池在其他指标上表现不佳。例如，当电池优先考虑高重量性能（相对于重量可存储的能量总量），可能会导致面积性能（每单位面积可以存储多少电荷）和/或体积性能（相对于电池尺寸可提供的电荷总量）的降低。

通常来看，电池由阳极和阴极薄膜电极组成，电极位于两个电流导体箔之间，并被绝缘体隔膜隔开。增加此类电极的厚度可提供更多存储和释放能量的空间，以提高能量的存储容量和密度。更厚的电极可以存储更多的电荷，也就是容纳更多的能量，就像更大的水箱可以存储更多的水。不过，此类电极的电荷传输能力较差，会降低电池的整体性能。

Sun教授及其团队专注于制造更厚的电极，并优化其电荷传输途径，以实现面积、体积和重量这三个指标的高性能。

为了克服较厚电极电荷传输动能较差的挑战，研究人员研发了一种将火花等离子烧结（SPS）应用于电极的方法。SPS是一种节能技术，利用热能和压力将材料压缩并致密成固体物体，如电极。

Sun教授表示：“SPS让我们制造出一种非常厚且密集的电极。一般电池电极的厚度只有大约50微米至100微米。但该项研究中的电极厚度为300微米，500微米，是当前电池设备中电极质量比的5倍。”

该技术在电极中实现了垂直排列的碳网络以及孔隙通道，让阴极具有高电极密度，实现高体积性能以及高质量负载（具有活性物质）、高面积性能，同时可快速传输电荷。

Sun教授表示，采用研究人员新设计的厚电极具有快速电荷传输能力，可增加活性成分的百分比，并提高标准重量电池组的能量容量。由于该电极密度高，因而也可在相同的空间内包装更多的电极活性材料。

据Sun教授所说，该研究的下一步包括研发一种可大规模制造此种电极的工艺，以及研究其他策略，来减少电池重量的比例，在车辆中提供更多容纳电池的空间。

Sun教授表示：“我们正在研究如何研发结构电池，以及如何将其集成至车辆结构中。例如，我们可以将电池集成至电动汽车车顶，让其真正成为车辆结构的一部分。在此种情况下，我们可以大幅减轻车辆的重量，因为成功将功能与结构结合在了一起。”

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