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科技工作者之家 2020-10-09
来源:今日新材料
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。
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。
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。这样的设计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,而纳米管就像一条直线高速公路和电流收集器的一部分。
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。
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。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。
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来源:gh_d06fa4463e84 今日新材料
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