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法国发明出世界最快的电极:可将锂电池的密度提高3倍

2020-10-15    来源:中国节能网
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[ 导读 ]:法国公司纳瓦科技公司近日表示,它已经在生产一种新的电极设计,可以从根本上提高现有和未来电池化学成分的性能,提供高达3倍的能量密度,10倍的功率,大大加快充电速度,电池寿命长达5倍。

法国发明出世界最快的电极

法国公司纳瓦科技公司近日表示,它已经在生产一种新的电极设计,可以从根本上提高现有和未来电池化学成分的性能,提供高达3倍的能量密度,10倍的功率,大大加快充电速度,电池寿命长达5倍。

纳瓦公司在超级电容器市场上的工作已经很有名气,该公司已经宣布,它在那些超级电容器上使用的高科技电极同样可以适用于电流型锂离子电池等,以实现一些巨大的、改变游戏规则的好处。

这一切的核心在于电极中保持活性的材料,以及该材料中的离子传递其电荷的路线。现在典型的活性炭电极是由粉末、添加剂和粘结剂混合而成。在使用碳纳米管的地方,它们通常是以杂乱无章的 方式粘在上面。这就给带电离子提供了一个随机的、混乱的、经常受阻的路径,使其在负载下到达电流收集器的路上。


左边是典型混乱的电极结构,右边是垂直排列的碳纳米刚性结构

纳瓦公司的垂直排列碳纳米管则创造了一个更像毛笔的阳极或阴极结构,每平方厘米的区域都有千亿根笔直的高导电性纳米管伸出来。然后,这些根根分明的细小极点都被涂上了活性材料,不管是锂离子还是其它东西。

这样的设计结果是大大减少了离子的平均自由路径,也就是电荷进入或离开电池所需的距离,因为每一个锂球都或多或少地直接附着在纳米管上,纳米管就像一条直线高速公路和电流收集器的一部分。

纳瓦公司创始人兼首席技术官帕斯卡·布朗厄尔说:"离子需要移动的距离仅仅是通过锂材料的几纳米,而不是普通电极的微米。"

这从根本上提升了功率密度(电池提供快速充放电速率的能力),最多可提升10倍,这意味着较小的电池可以发出10倍的功率,而这些电池的充电时间也可以同样大幅降低。纳瓦公司方面说,只要有合适的充电基础设施,5分钟的充电时间应该可以让用户从0充到80%的电量。

此外,由于超轻的纳米管有空隙,而且无关的粘结剂和添加剂材料较少,所以含有一定量活性材料的电池可以变得更轻、更紧凑。无论是按重量还是按体积计算,能量密度都会有2-3倍的提升。

纳米管阵列的刚性结构和巨大的表面积,以及附着在其上的微小锂球的广泛分布,消除了一些导致电池逐渐减少、性能下降和随着时间推移而衰减的因素。纳瓦公司宣称,使用这种技术,电池的寿命应该可以延长5倍。

布朗厄尔表示:"制造电池是非常困难的,必须掌握很多参数。但如果想掌握这些参数,需要拥有最高的电导率。需要有最高的热导率,就需要拥有最高的离子传导性。而这正是我们的材料能够给电池制造商带来的东西。"

南澳大利亚州弗林德斯大学化学和物理科学学院研究员、电池技术和碳纳米管的独立专家卡梅伦·希勒博士说:"研究表明,垂直排列的碳纳米管的性能远远高于随机放置的碳纳米管。我对导电性能达到提升10倍并不感到惊讶。控制碳纳米管的摆放位置才是真正释放其潜力的方法。商业化的问题是生产排列碳纳米管的相关成本。我猜测成本会远远超过10倍"

对此,纳瓦公司表示,这是一个百万美元就能解决的问题,所使用的工艺与防反射涂层的玻璃以及光伏的涂层工艺是一样的。它已经非常便宜了。

布朗厄尔说:"在大批量的情况下,这将与现有的电极具有成本竞争力。在光伏板内沉积抗反射涂层的成本是每平方米几分钱。这是一样的,我们只是沉积我们的材料,因为我们已经掌握了这个技术工艺。众所周知,垂直排列的碳纳米管的生长速度是非常非常快的。我们可以将垂直排列的纳米管生长到,比方说,每分钟100微米。在炉子里只需要一分钟。我们已经在非常大的表面上扩展了这一过程,并且在大气压下,在较低的温度下工作的过程中,我们可以做到这一点,有点像印刷报纸。"

纳瓦公司现在已经有一个完整的生产装置开始运行,为其超级电容器装置提供垂直排列的碳纳米管。这种电极技术可以用在圆柱形电池或各种尺寸的扁平电池上。而且也不一定非得是锂离子电池。该公司已经开发了一些工艺,使纳米管与一系列活性材料更加兼容,包括硅、镍锰钴和硫的化学成分,以及一些其他更奇特的材料,它正在与特定的电池制造商进行探索。

纳瓦公司宣称,在某些情况下,这种方法消除了阻碍某些其它电池化学成分的问题。例如,硅基电池的能量密度约为锂离子电池的2倍,但活性材料在充电时长到4倍大小,放电时又缩回,造成机械问题,导致裂缝。


这种工艺在所有不同形状的电池和一系列电池化学中都能同样良好地工作

布朗厄尔说,将这些硅以小块状的方式沉积在那些碳纳米管上,它们不仅有更多的空间可以扩展到,而且有一个高度刚性的结构制约着它们。他说:"纳米管是牢不可破的。任何扩张都是横向的,而不是在电极厚度上。而纳米管结构就像一个笼子。对于硅,人们认为解决方案是创造一种核心/外壳纳米粒子,膨胀、收缩的硅被约束在导电的碳壳内。这就是今天硅电池的的模式。我们做的也是一模一样,但我们没有核心/外壳,而是有一种笼子,网状笼子。"

这种技术将使硅电池再次焕发生命,可以将其能量密度再次翻倍,达到今天锂电池的六倍左右,同时由于这种工艺消除了昂贵的稀有锂金属,因此硅电池的价格可能会大幅下降。

布朗厄尔团队正在为另一家制造商研究的一种化学成分,这种化学成分众所周知是不稳定的,并且存在严重的膨胀问题。他说,早期的测试表明,新工艺为电池的寿命增加了十倍,这使得这种化学成分从真正的小众应用的东西,到可以大规模应用的东西。

预计在2022年之前,市场上可以看到这些新的高密度电池,然后从2023年开始大规模普及。

转向这种电极将要求电池公司在电池组装之前对其制造工艺的早期阶段做出一些相当大的改变。但是,这样的性能倍增,而不需要对电池化学进行任何改变,肯定会使这些东西非常具有很竞争力。

纳瓦公司的第一个大规模客户是法国电池制造商Saft。作为欧洲电池联盟的一部分,该公司正在与雪铁龙和雷诺合作,为这些旗下的品牌开发电动汽车电池。此外,该公司还在直接与一些汽车公司以及其他为电动汽车领域供货的电池制造商进行洽谈。

对于电动汽车、摩托车、电动自行车和其他新兴的地面运输模式来说,这种能量和功率密度的提升将是革命性的。另外,这显然也代表着电动航空领域的巨大潜在飞跃,目前锂电池的重量、能量密度和缓慢的充电时间对零排放飞机的续航能力和商业可行性造成了巨大的限制。

 
 
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