使用新型納米碳電極或是縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間的關(guān)鍵

使用新型納米碳電極或是縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間的關(guān)鍵。

NAWA 認(rèn)為，公司的納米結(jié)構(gòu)電極將為電動(dòng)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(dòng)汽車電池的儲(chǔ)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(dòng)汽車電池的充電時(shí)間縮短至與汽油汽車加油差不多的水平，并同時(shí)將電池壽命最高提升 5 倍。

在接受 SAE International 采訪時(shí)，Pascal Boulanger 表示，UFCE 電極技術(shù)可以將市面上主流電動(dòng)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(duì)齊碳納米管。

每個(gè)碳納米管實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)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(jì)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(dòng)，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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jí)電容器”（名為超快充碳電池）產(chǎn)品。公司稱，這款超級(jí)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(chǔ)最高提升 3 倍、電池壽命周期最高提升 5 倍，而且充電時(shí)間從幾小時(shí)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(chǔ)，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(duì)是被低估了?！?目前，大多數(shù)電動(dòng)車車主已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車開的時(shí)間越長，車輛的電池就越不經(jīng)用。

與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，電動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)能量最少增加一倍。Boulanger 說，“因此，電動(dòng)汽車將擁有更多能量，可以跑得更快，同時(shí)也跑得更遠(yuǎn)。”

3D 垂直結(jié)構(gòu)的電動(dòng)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(jì)，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(chǔ)的能量更多，因此如果按照單位瓦時(shí)成本來說，碳納米管應(yīng)該更便宜。”

Boulanger 也意識(shí)到 UFCE 電極的商業(yè)化可能面臨一些障礙。“我們有很多種方式可以將 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(huì)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(jí)電容器回收本來會(huì)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(gè)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(chǔ)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(gè)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(gè)“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(chǔ)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(chǔ)存能量的多功能輕質(zhì)堅(jiān)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(chǔ)存更多能量，而且?guī)缀醪粫?huì)增加車輛重量。”

編輯：jq