撰文 / 錢亞光

設(shè)計(jì) / 趙昊然

來源 / www.sintef.no, insideevs.com, interestingengineering.com

對(duì)于動(dòng)力電池制造商而言，目標(biāo)始終如一：更高的能量密度、更快的充電速度、更高的成本效益以及更好的安全性。但實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的方式一直在不斷變化。如今，研究人員找到了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的新“配方”。

想象一下，你正開著一輛全新的電動(dòng)汽車行駛在高速公路上，一路疾馳，而充電站卻寥寥無幾。續(xù)航里程焦慮的記憶涌上心頭，但隨后你意識(shí)到，你駕駛的這輛電動(dòng)汽車配備了全新的電池組，其研發(fā)正是為了能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離行駛且無需頻繁充電。而當(dāng)你需要停車充電時(shí)，充電所需的時(shí)間也大大縮短，讓你可以放松心情、充滿信心地繼續(xù)前行。

研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人尼爾斯·彼得·瓦格納在 SINTEF 的實(shí)驗(yàn)室中。照片來源：Silje Grytli Tveten

尼爾斯·彼得·瓦格納（Nils Peter Wagner）是歐洲最大的獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)之一——挪威科學(xué)和工業(yè)研究基金會(huì)（Stiftelsen for industriell og teknisk forskning，SINTEF）的一名資深研究科學(xué)家，他負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)歐盟智能電池項(xiàng)目IntelLiGent中的相關(guān)工作。瓦格納表示，該項(xiàng)目的研究人員已經(jīng)對(duì)先進(jìn)的材料和組件進(jìn)行了試驗(yàn)，以改進(jìn)電池性能。

“從很多方面來講，可以說我們通過選擇一些最優(yōu)質(zhì)、成本最低且對(duì)環(huán)境危害最小的原材料，為未來的電池技術(shù)創(chuàng)造了一種‘配方’。我們對(duì)電池單元的每一個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行了研究。”瓦格納說道。

SINTEF是一個(gè)非營(yíng)利性研究基金會(huì)，成立于1950年，在80個(gè)國(guó)家擁有2200名工作人員，其中71%是研究人員，60%擁有博士學(xué)位。它通過與挪威科技大學(xué)（Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet，NTNU）合作，開展自然科學(xué)、技術(shù)（包括建筑和土木工程）以及健康和社會(huì)科學(xué)方面的研究。

瓦格納手里的可不是兩個(gè)筆記本，而是新電池單元的樣本。圖片來源：Silje Grytli Tveten

超級(jí)能力與秘密成分

如果把電池想象成一個(gè)三明治，在頂部我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)陰極。陰極使用的是 IntelGent 開發(fā)的新材料 LNMO，其全稱為鋰鎳錳氧化物。這種材料不含鈷，且鋰和鎳的含量低于當(dāng)今電池所使用的材料。

這是一種被定義為關(guān)鍵原材料的材料，讓該項(xiàng)目開發(fā)的電池替代組件具有更低的碳足跡。“LNMO 陰極材料能提供穩(wěn)定的高平均電壓，不會(huì)失效。它還有高能量密度，這意味著它能在更小的體積內(nèi)產(chǎn)生更多的能量，從而使電池的續(xù)航里程更長(zhǎng)，”瓦格納說道。

電池的組成部分。圖片來源：SINTEF

挑戰(zhàn)在于這種材料存在一些“成長(zhǎng)中的煩惱”，導(dǎo)致電池使用壽命縮短。據(jù)研究人員介紹，他們已經(jīng)通過開發(fā)新一代LNMO陰極材料來改善了這一狀況，這種材料能提供更好的電池性能和容量。

關(guān)鍵問題已經(jīng)解決

“這些節(jié)能、高容量的陽(yáng)極在提升電池性能方面起著至關(guān)重要的作用。然而，硅陽(yáng)極在充放電過程中會(huì)顯著膨脹，這可能導(dǎo)致材料分解。我們通過利用石墨的穩(wěn)定性解決了這個(gè)問題，從而使電池具有最佳的耐用性和使用壽命?！蓖吒窦{說道。

電池陽(yáng)極由硅和石墨組成的復(fù)合材料制成。硅能夠吸收更多的鋰離子，從而提供更多的能量，而石墨則能提供強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使電池使用壽命更長(zhǎng)。IntelLiGent 的硅-石墨復(fù)合材料由挪威的 Vianode 生產(chǎn)，他們能夠生產(chǎn)出排放更低、資源消耗更少的材料。

從很多方面來看，這種電池通過選擇一些最優(yōu)質(zhì)、最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且對(duì)環(huán)境危害最小的原材料，為未來電池技術(shù)創(chuàng)造了一種“配方”。

研究團(tuán)隊(duì)還在研發(fā)一種特殊的電解液，用于保護(hù)電池中的陽(yáng)極和陰極。這使得電池更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。

“我們最近完成了電解液的開發(fā)，并在第一代原型電池中進(jìn)行了測(cè)試?，F(xiàn)在我們把重點(diǎn)放在了第二代原型電池上，這種電池將在更大的電池中提供更高的能量密度。這反過來會(huì)使電池具有更好的性能和效率?！蓖吒窦{說道。

超級(jí)膠水修復(fù)細(xì)小損傷

該項(xiàng)目還在研究電池本身的結(jié)構(gòu)——換句話說，就是電極是如何構(gòu)成的，以及電池是如何組裝的，這將提高能量密度和充電容量?！澳芰棵芏忍岣叩囊粋€(gè)影響是電池可能會(huì)過熱，所以我們需要確保電池結(jié)構(gòu)不會(huì)讓熱量在內(nèi)部積聚。”瓦格納說道。

粘合劑和分隔層能夠幫助電池自我保護(hù)和自我修復(fù)，這反過來有助于延長(zhǎng)其使用壽命。為了將“三明治”結(jié)構(gòu)固定在一起，研究人員還使用了特殊的粘合劑和分隔層。這些部件并非被動(dòng)的輔助品，而是能夠沿途主動(dòng)修復(fù)輕微損傷的成分。粘合劑有助于維持電極結(jié)構(gòu)，而分隔層則確保電極在物理上相互分離，從而防止短路。

這種新型電池具有自我修復(fù)功能，可延長(zhǎng)其使用壽命。圖片來源：SINTEF

為了更好地了解電池單元的性能，研究人員采用了先進(jìn)的分析方法和建模技術(shù)。這為如何改進(jìn)電池設(shè)計(jì)提供了有用的答案。

通過使用極快的篩選方法和建模工具，他們探索各種可能性，尋找最環(huán)保的解決方案，包括在數(shù)字仿真世界中測(cè)試電池。借助SINTEF開發(fā)的軟件工具，研究人員可以測(cè)試電池的性能表現(xiàn)。這樣他們就能節(jié)省時(shí)間，并確信這項(xiàng)技術(shù)能正常運(yùn)行。

從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)

在 IntelLiGent 項(xiàng)目中所發(fā)生的工作，是與整個(gè)價(jià)值鏈中的重要參與者（從制造商到供應(yīng)商再到終端用戶）合作進(jìn)行的，其目標(biāo)是獲得最佳的“電池配方”。

該項(xiàng)目如何將新的創(chuàng)新成果推向世界，并惠及廣大消費(fèi)者的呢？

該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了一份詳細(xì)的計(jì)劃，闡明了如何將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。他們目前正在努力擴(kuò)大電極的生產(chǎn)規(guī)模，并使其投入大規(guī)模運(yùn)行，并對(duì)生產(chǎn)流程和測(cè)試方案進(jìn)行優(yōu)化。此外，他們還將生產(chǎn)一個(gè)演示模型，以檢驗(yàn)電池的性能是否達(dá)到應(yīng)有的水平，以及其是否安全耐用。

瓦格納表示：“我們正在評(píng)估環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面的后果，并將新技術(shù)與現(xiàn)有解決方案進(jìn)行比較。”

據(jù)SINTEF研究人員稱，這個(gè)歐盟項(xiàng)目為更綠色的汽車未來鋪平了道路，其帶來的電池不僅更強(qiáng)大、更高效，而且對(duì)地球的危害更小。“這些電池將使您無需再次補(bǔ)能的情況下，行駛更遠(yuǎn)的距離，并且充電速度也會(huì)更快。作為個(gè)人，您還將為較小的碳足跡做出了貢獻(xiàn)?！?瓦格納說道。