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新型電池儲電能力的粘合劑分析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年10月28日  

體積更小、容量更大”是我們對電池的一種終極夢想,但這兩種要素在絕大多數時候都顯得自相矛盾。

在現有的技術條件之下,電池容量與體積正在構成一種正比關系,體積越大,電力就越持久。

這是一件很難兩全其美的事。目前在世界范圍內,對電池蓄容能力的開發主要采取兩種辦法,一種是尋找更好的電極材料,另一種就是改變電池的加工工藝。而中國科學院化學研究所研究員郭玉國告訴《第一財經周刊》,前者的摸索已經接近了極限,后者需要付出的成本也過于昂貴,無法使產品實現規模化生產。郭玉國是中國硅酸鹽學會固態離子學分會理事,也曾在德國馬普協會納米能源化學重大項目組擔任項目研究員。

一個完整的充放電的過程,就是鋰離子向電池兩極移動的過程。充電,就是將鋰離子送往充電電池的正極,當所有鋰離子都到達正極、填滿石墨烯材料之間的縫隙的時候,電池就充滿了;相反,當鋰離子的電力逐步失去,它們就會往負極移動,當所有鋰離子都到達負極,電力也就耗盡了。

這就是為什么通常電池的體積越大、電力就越強的原因。因為有了更大的電池正極,就可以吸附更多的帶電鋰離子。

眼下常見的充電電池都是鋰離子電池。每一塊鋰離子電池的正極,都被裝上了石墨烯材料。更簡單地說,這是一種碳層,用來吸附存儲了電力的鋰離子。

為了提高對鋰離子的吸附能力,人們已經不止一次地在改善電極材料上做出嘗試。

芝加哥西北大學的化學和生物工程系教授HaroldKung曾想出了一種辦法,他把另一種可以吸附鋰離子的材料—硅,夾在石墨烯中間。在試驗中,硅可存儲的鋰離子數量比石墨材料要多10倍。

在充放電過程中,石墨烯和硅一起膨脹收縮,石墨烯可以保證硅的形狀穩定,不至于破裂。這種辦法真的使電池的儲電量達到了原來的10倍。但它的缺點也很快暴露,Kung后來承認在充電150次之后,它的儲電量和充電速度都會驟降,在產品耐用性方面遠遠達不到要求。

另外一家位于加利福尼亞的創業公司Amprius,正在試驗一種可以彎曲、膨脹、四處移動的硅納米線,將鋰離子收納其中。這種技術需要一種全新工藝,這種工藝此前并沒有用于電池制造,成本也不菲。

不過美國勞倫斯·伯克利國家實驗室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的科學家們,現在似乎找到了一種新方法。他們正在研究的一項技術,可以使電池的電力容量提高30%以上,并且可以更小、更耐久。更關鍵的一點是,這一技術可以在現有的制造工藝上實現,因而不會有過多的成本支出。

他們計劃將用硅全面代替石墨烯,而不是將兩者混合。有一點不能否認,那就是在所有被摸索出來的方案中,硅材料有著最佳的對帶電鋰離子的吸附能力。

然而在電池正極上使用硅,到現在也仍然是一個大難題。勞倫斯·伯克利實驗室環境能源技術部的研究員劉高作的一個比喻是:石墨就像海綿,當它吸收鋰離子之后,會保持形狀;但硅卻更像一個氣球,在充放電的過程中會膨脹和收縮,一旦發生碎裂,就會完全失去導電性。

石墨烯畢竟不是粘合劑,它無法粘住那些可能發生破碎的硅顆粒,讓它們一直保持高導電性,同時富有彈性。這正是Kung的計劃失敗的原因。

是的,粘合劑,劉高計劃用它將電池正極上的硅材料“粘”在一起。在目前的電池制造工藝中,本就會在石墨顆粒表面涂抹一種粘合劑。使用粘合劑的理念,無需對現有制造工藝做出太大改動,對生產廠商而言不會造成額外的技術負擔。

“利用硅和新型粘合劑的結合,的確是現有技術條件下,最有效的一個突破方向。”郭玉國說。

這一計劃的另一個關鍵角色是3M公司。劉高的小組目前正在與3M公司合作,測試一種新型的粘合劑。作為全球知名的化學材料公司,3M在粘合劑研究領域一直保持著領先地位。

劉高與一些理論化學家一起,在由3M提供的眾多的聚合物中尋找具有電氣性能的,一旦發現就想辦法讓它們變得更有粘性,這需要漫長而枯燥的測試。

目前實驗小組已經測試了650個充電周期。他們已經測試出的一種粘合劑,用在其他材質的電池上,包括對錫制成的電池也同樣有效。現在劉高已經拿到了這種粘合劑的專利。

公司還證實,旗下的工廠計劃擴大“硅基電池材料”的生產規模,為未來新型電池的量產做準備。

這個“未來”可能不會太遙遠。按照已經公布出來的數據,利用硅材料和粘合劑,新型電池可以達到的存儲容量為每克1400毫安時,這意味著它在1小時內完全放電的電流將達到1300毫安,這一數字比傳統陽極存儲的300毫安高多了。

這是一個好消息,未來的電子產品或許不會再遭遇蘋果公司“NewiPad”的尷尬:出于對提高電池容量等多方面的考慮,NewiPad將產品厚度從上一代的8.8毫米增加到了9.4毫米。但即便只有0.6毫米,一些用戶也并不買賬,認為這有違蘋果新一代產品會更輕更薄的傳統,并且影響使用。

如果新型電池能應用到純電動汽車等更大型的設備上,會是另外一番情景。比如你可以開著電動車來一次長途旅行,而無需像現在這樣極度依賴充電站。

你看,升級電池實際上也完全可以成為提升用戶體驗的一部分。

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