隨著全球的能源消費轉(zhuǎn)向電氣化程度更高的驅(qū)動系統(tǒng)、降低對化石燃料的依賴以及優(yōu)先考慮氣候修復，大家對高性能電池，特別是用于電動汽車的高性能電池的需求正在激增。據(jù)外媒報道，美國賓夕法尼亞州立大學（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）

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

(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元件來實現(xiàn)該目標。”

如果電動汽車制造商想要提升電動汽車的續(xù)航里程，就需要增加更多的電池，數(shù)量可達到數(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)動電池組件，讓它們更活躍。“雖然此種方法會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，只有電極對電池性能有貢獻，封裝、分離器、集流器等其他部件都是只增加重量、對電池性能毫無貢獻的被動元件。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指標上，這并不高效因為電池在其他指標上表現(xiàn)不佳。例如，當電池優(yōu)先考慮高重量性能（相對于重量可存儲的能量總量），可能會導致面積性能（每單位面積可以存儲多少電荷）和/或體積性能（相對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，電極位于兩個電流導體箔之間，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和釋放能量的空間，以提高能量的存儲容量和密度。更厚的電極可以存儲更多的電荷，也就是容納更多的能量，就像更大的水箱可以存儲更多的水。不過，此類電極的電荷傳輸能力較差，會降低電池的整體性能。

Sun教授及其團隊專注于制造更厚的電極，并優(yōu)化其電荷傳輸途徑，以實現(xiàn)面積、體積和重量這三個指標的高性能。

為了克服較厚電極電荷傳輸動能較差的挑戰(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。但該項研究中的電極厚度為300微米，500微米，是當前電池設備中電極質(zhì)量比的5倍。”

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

Sun教授表示，采用研究人員新設計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，并提高標準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，因為成功將功能與結(jié)構(gòu)結(jié)合在了一起。”

關(guān)鍵詞：