电池新设计将使其更强大
文摘
财经
2024-10-09 08:30
中国香港
![]()
编译：Ted
为了制造出更好的电池，研究人员将元素周期表翻了一个遍。从最早的镍和镉，到后来的锌、铁、钠和铅等各种元素。然而，在过去的四十年里，锂战胜了所有竞争对手。因为它重量轻、反应灵敏，是理想的阴极材料。锂离子 (Li-ion) 电池被广泛应用于电网和大多数电动汽车。由于锂基阴极非常有效，以至于希望制造出更好、更强大电池的科学家们将注意力转向了其他长期被忽视的电池组件。这些努力开始取得成效。理想的阳极材料必须能够吸收锂离子。迄今为止，石墨是理想的候选材料，但科学家们现在正试图用更便宜、吸收性更强的硅来代替它。按单位重量计算，硅可以储存的能量比石墨高出十倍左右。然而，当硅阳极充电时，进入的锂离子会让它们迅速膨胀，最终导致其破裂。有几家公司正在寻找解决方案。美国电池组件初创公司，如 Sila Nano 和 Group14，已经开发出一种复合材料，将硅分子嵌入碳分子网中。这将能够抑制膨胀。Sila Nano 的产品能使锂离子电池的能量密度提高 20% 至 40%；Group14 的产品将使其提高多达 50%。总部位于加利福尼亚州弗里蒙特的 Amprius Technologies 公司选择由数百根纯硅纳米线构成的阳极，每根纳米线周围都有可以膨胀的空隙。Amprius 最新一代阳极的能量密度可达到每公斤 500 Wh，而采用石墨阳极的典型锂离子电池的能量密度仅为每公斤 300 Wh。与此同时，总部位于芝加哥的 NanoGraf 公司开发了一种由氧化硅制成的低成本阳极，可在安装到电池中之前填充锂离子。这种预膨胀实际上限制了阳极随后的膨胀量。阿贡国家实验室储能部门首席科学家 Shirley Meng 表示，电解质才是真正的游戏规则改变者。这是因为它们与其他所有组件都有物理接触。鉴于电解质的关键作用，像 Meng 博士这样的研究人员认为，更好的电解质不仅是锂离子电池取得巨大进步的关键，也是其后续产品取得巨大进步的关键。6 月，日本集团旭化成（Asahi Kasei）的研究人员发现，当他们用专有的替代品替代标准锂离子电池中使用的电解质时，性能显著提高。在 -40°C 时，使用旭化成电解质的电池可以保持电量，而标准电池中使用的碳酸盐基电解质则不能。在 60°C（比锂离子电池的最高工作温度高 15 度）下，新的充满电解质的电池可以在经历两倍的充电周期，然后电池健康状况只下降 20%。随着全球变暖，这种耐高温性对于电动汽车和其他储能系统的稳定性至关重要。也许最有前景的电池创新影响的是最少被考虑的部件：集流器。该元件由位于阴极顶部的薄铝片和位于阳极顶部的铜片制成，将电流从电池传导到电路。以色列公司 Addionics 发现，调整这些薄片的几何形状可以提高电池的性能。与当今电池中使用的光滑薄片不同，Addionics 的产品有山有谷；就像一个“小鸡蛋盒”，该公司创始人 Moshiel Biton 说。它也是多孔的。这些因素的结合使阳极和阴极中的活性材料（例如锂或石墨）渗入集电器，从而提高其导电性。当 Addionics 测试其 3D 集电器时，它发现这种设计比传统集电器更不容易从电极上脱落。除其他外，这增加了其容量和载流能力。测试还表明，这种集电器设计还可以帮助最新一代锂离子电池将其可承受的充电次数增加一倍。由于 Addionics 的 3D 集电器与化学无关，因此它在锂离子电池和任何后续电池上都能同样有效地工作。
