使用新型納米碳電極或是縮短電動汽車充電時間的關(guān)鍵

使用新型納米碳電極或是縮短電動汽車充電時間的關(guān)鍵。

NAWA 認(rèn)為，公司的納米結(jié)構(gòu)電極將為電動汽車電池帶來階躍性進(jìn)展。（圖片來源：NAWA）

最近，法國納米材料初創(chuàng)公司 NAWA Technologies 聲稱已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)，可以顯著提高電動汽車電池的儲能效率。根據(jù)公司創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Pascal Boulanger 的說法，NAWA 的 UFCE 超快充碳電極可以將電動汽車電池的充電時間縮短至與汽油汽車加油差不多的水平，并同時將電池壽命最高提升 5 倍。

在接受 SAE International 采訪時，Pascal Boulanger 表示，UFCE 電極技術(shù)可以將市面上主流電動汽車的續(xù)航里程增加至 1，000 公里（620 英里），并實(shí)現(xiàn) 5 分鐘內(nèi)充電80％ 的超高速充電。他指出，“UFCE 電極的獨(dú)特之處在于采用了 3D 結(jié)構(gòu)的 VACNT 垂直對齊碳納米管。

每個碳納米管實(shí)質(zhì)上都是一個卷成圓柱型的石墨烯片。這些納米管的直徑相較于其長度而言非常細(xì)，其比例相當(dāng)于一根長約 1 公里的意大利面。而 UFCE 電極正是由數(shù)百萬億根這樣的碳納米管組成的！”Boulanger 表示，UFCE 電極適用于各類先進(jìn)電池化學(xué)技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)“最高”離子電導(dǎo)率 Boulanger 解釋說，目前鋰基電池的性能主要受電極設(shè)計和電池材料的限制。目前，粉末電極的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均較差，充放電間的力學(xué)性能也不高，并且可能面臨安全和使用壽命有限等問題。

Boulanger 表示，當(dāng)下電極材料的微結(jié)構(gòu)決定了其中的離子難以四處自由移動，因此電導(dǎo)率較低。UFCE 電極采用的專利 VACNT 碳納米管，憑借 3D 結(jié)構(gòu)可以取得“最高”的離子電導(dǎo)率，而且又借助納米管的超長長度同時獲得非常好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。Boulanger 說，這些特性可以解決電池?zé)崾Э氐膯栴}。

從力學(xué)上看，VACNT 納米管可以像“籠子”可以減少電極的體積膨脹，從而使其能夠在比粉末電極更小的“應(yīng)力”下工作：“簡單地說，這意味著離子僅需移動幾納米即可穿過圓柱形的立體電極材料，但如果電極材料是平面的，則離子則可能需要移動幾微米?！盉oulanger 表示，新結(jié)構(gòu)“從根本上提高了電池的充電和放電速率”。

此前，NAWA公司還曾發(fā)布過“下一代超級電容器”（名為超快充碳電池）產(chǎn)品。公司稱，這款超級電容器擁有超高的充放電速度，且取得了“市面上最低的電氣串聯(lián)電阻值。” Boulanger 表示，NAWA 的電極技術(shù)可以幫助鋰基電池實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化：電池功率提高 10 倍、能量存儲最高提升 3 倍、電池壽命周期最高提升 5 倍，而且充電時間從幾小時縮短到僅幾分鐘。

“通常情況下，任何技術(shù)都有優(yōu)劣勢，因此總要有所取舍，比如粉末電極的情況就是這樣?！盉oulanger指出，“你要增加能量存儲，就要降低功率；汽車要跑得更快，就要更多消耗電池。不過，還有一些電池技術(shù)絕對是被低估了?！?目前，大多數(shù)電動車車主已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電動汽車開的時間越長，車輛的電池就越不經(jīng)用。

與汽油發(fā)動機(jī)不同，電動汽車的電池?fù)p耗不是線性下降的。Boulanger 說，“我們的技術(shù)也是如此 – 然而，由于我們的功率和儲能水平都更高，這意味著您將獲得更多富余，因此無論電量如何，電池‘過度放電’的情況都將很少發(fā)生?！盢AWA 公司研發(fā)合作伙伴（包括法國電池巨頭 SAFT）的初步結(jié)果表明，先進(jìn)鋰離子電池使用 UFCE 電極可以將儲能量最少增加一倍。Boulanger 說，“因此，電動汽車將擁有更多能量，可以跑得更快，同時也跑得更遠(yuǎn)?！?/p>

3D 垂直結(jié)構(gòu)的電動汽車電池電極。（圖片來源：NAWA）

碳納米材料的協(xié)同效應(yīng)

Boulanger 說，NAWA 公司的 3D 碳納米材料電極經(jīng)過專門設(shè)計，非常易于制造。VACNT 碳納米管的制造工藝與光伏板或工業(yè)玻璃生產(chǎn)“非常相似”。Boulanger 聲稱，碳納米管的生產(chǎn)“并不昂貴”：生產(chǎn)設(shè)備已過驗(yàn)證，產(chǎn)量和良率均大大提高，成本可以控制得很低。

Boulanger 說，“我們預(yù)測，生產(chǎn)一平方米碳納米管的成本與生產(chǎn)同等面積的涂層應(yīng)該差不多，但所需的天然材料和可持續(xù)碳源材料更少。不過，單位平方米碳納米管可以存儲的能量更多，因此如果按照單位瓦時成本來說，碳納米管應(yīng)該更便宜。”

Boulanger 也意識到 UFCE 電極的商業(yè)化可能面臨一些障礙?！拔覀冇泻芏喾N方式可以將 3D 電極概念推入市場，”他說。最簡單的方法是在銅基板上刷一層非常薄的 VACNT 碳納米管，從而與目前已經(jīng)在電池行業(yè)投用的碳涂層銅基板競爭。Boulanger說，通過這種方法生產(chǎn)的電極材料具有更好的電性能和錨固性，并且已經(jīng)可以在 2021 年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

從長遠(yuǎn)來看，真正的 3D 結(jié)構(gòu) UFCE 電極“可能會在 2023 年初小批量上市，并在 2025 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?！?NAWA 公司的 UFCE 電極也有潛力應(yīng)用至氫燃料電池系統(tǒng)，可以使用 NAWA 公司的 NAWACap 超級電容器回收本來會被浪費(fèi)掉的能量。Boulanger 表示，UFCE 電極也可以作為燃料電池的膜電極。

“事實(shí)證明，NACNT 使用的貴金屬鉑更少”，因此可以節(jié)省成本。此外，NAWA 集團(tuán)另一個事業(yè)部還在開發(fā)各種創(chuàng)新材料，使用這些材料制作的氫碳復(fù)合儲罐的重量更輕、強(qiáng)度更高。 NAWA美國公司位于美國俄亥俄州 Dayton 市，專注于多功能超強(qiáng)復(fù)合材料的商業(yè)化。公司的 NAWAStitch 概念采用了一層內(nèi)含數(shù)萬億個與碳纖維層垂直排列的 VACNT 碳納米管薄膜。

Boulanger 表示，這層薄膜就像是一個“納米尼龍搭扣”，可以增強(qiáng)復(fù)合材料中連接最薄弱的環(huán)節(jié)，即層與層之間的接觸面，因此可以大大提高材料抵抗剪切和沖擊載荷的能力。 除了 3D-UFCE 和 NAWAStitch，NAWA 公司還有另外一項(xiàng)創(chuàng)新：NAWAShell。這是一種采用 VACNT 碳納米管的混合結(jié)構(gòu)電池。由于采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種電池的力學(xué)強(qiáng)度和電能存儲性能均得到優(yōu)化。

Boulanger 認(rèn)為，未來“NAWAStitch 和 NAWAShell 的結(jié)合使用將發(fā)揮巨大潛力，創(chuàng)造可以儲存能量的多功能輕質(zhì)堅固材料，比如可以使用這種材料制造車輛的太陽能板車頂，幫助車輛儲存更多能量，而且?guī)缀醪粫黾榆囕v重量?！?/p>

編輯：jq