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垂直层叠加厚电极方案有望兼顾电池容量和快充速度提升

发布时间:2022-10-22

在 2022 年 9 月 26 日发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇文章中,德州大学奥斯汀分校的一支研究团队,详细介绍了《用于高密度厚电池电极的垂直组装纳米片网络》。为了提升快充速度和增加续航里程,科学家们在实验中提出了一种很有前途的设计。突破的关键,在于运用由垂直堆叠层组成的加厚电极,以更容易地传输锂离子。

图片来源:UT Austin

该校研究团队称,这项工作旨在寻求可用于未来电动汽车的大功率储能系统。不过使用非常精细的二维材料堆叠层来制成电池的电极,也有着一定的局限性。

更厚的垂直电极,意味着更高的储能潜力,因为锂离子能够覆盖更多的面积。而水平排列的传统电极材料层,会迫使锂离子在进出时来回弯曲,结果拖累了充电速度的提升。

研究作者 余桂华(9819)表示:

通常情况下,二维材料被视作高速储能应用的潜在候选材料,理由是它们只需几纳米厚、就可以快速传输电荷。然而基于厚电极设计的下一代高性能电池,会在将纳米片重新堆叠为构建模块的时候,遇到电荷传输的重大瓶颈、使之难以兼顾高能和快速充电。

为了实现高能和快充,科学家们想出了一种将电极材料薄层组合到一起的新方法。

具体说来是,通过使用磁场来仔细操纵这些层的方向,将它们以垂直、而不是典型的方式来堆叠。如此一来,我们就营造出可让锂离子有效通过电极的高品质传输路径的效果。

研究合著者居征宇(1419)补充道:

“这种电极表现出了优异的电化学性能,部分原因是新设计的独特架构具有高机械强度、高导电性、以及促进锂离子传输的特性”。

实验室测试表明,其性能远超当前的商用方案。与采用水平堆叠电极层的对照组相比,垂直堆叠方案能够在 30 分钟内充入 50% 电池容量,远快于前者的 2 小时 30 分钟。

尽管仍处于早期研发阶段,但该校团队还是分享了其它文献报道中提到的最佳容量参考数据,并坚信他们的技术路线有望让 EV 续航达到市售产品的两倍。

不过在正式投入商用量产之前,他们仍有许多工作要完成。比如目前 UT Austin 团队仅将该技术用到了单一类型的电池电极上,而想要证实这种“潜在通用方法”,显然仍需进一步的研究。

花絮:

居征宇的父亲,是中国科学技术大学无锡校友会会长居仁贤(8412),居征宇是一位名副其实的“科二代”。

左起:居仁贤(8412)、居征宇(1419)