使用新型納米碳電極可能是減少電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的關(guān)鍵。

NAWA 認(rèn)為，該公司的納米結(jié)構(gòu)電極將帶來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的前饋進(jìn)步。 （圖片來(lái)源：NAWA）

近日，美國(guó)納米材料初創(chuàng)公司NAWA宣布開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)技術(shù)，可以顯著提升電動(dòng)汽車(chē)電池的儲(chǔ)能效率。 據(jù)該公司創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官介紹，NAWA的UFCE超快充碳電極可將電動(dòng)車(chē)電池的充電時(shí)間縮短至與加油柴油車(chē)相同的水平，同時(shí)電池壽命最多可提升5倍。

他在接受SAE專(zhuān)訪時(shí)表示，UFCE電極技術(shù)可將市面上主流電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程降至1000公里（620英里），并實(shí)現(xiàn)5分鐘80%的超高速充電。 他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“UFCE 電極的特殊性在于在 3D 結(jié)構(gòu)中使用垂直排列的碳納米管。

每個(gè)碳納米管本質(zhì)上是一個(gè)卷成圓錐體的石墨烯片。 納米管的半徑與其厚度相比非常細(xì)，其規(guī)模相當(dāng)于一架約1公里長(zhǎng)的德國(guó)飛機(jī)。 UFCE電極就是由數(shù)百萬(wàn)億個(gè)這樣的碳納米管組成的！ “表明UFCE電極適用于各種先進(jìn)的電池物理技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)“最高”離子濁度比說(shuō)明，目前鋰基電池的性能主要受限于電極設(shè)計(jì)和電池材料。 目前，粉狀電極的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能較差，充放電間的熱性能不高，可能面臨安全性和使用壽命有限等問(wèn)題。

目前電極材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了其中的離子不能到處自由交流，因此濁度較低。 UFCE電極所采用的專(zhuān)利碳納米管，憑借3D結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“最高”的離子濁度率，同時(shí)利用納米管的超長(zhǎng)寬度，獲得特別好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。 據(jù)說(shuō)這個(gè)特性可以解決電池?zé)崾Э貑?wèn)題。

在熱學(xué)上，納米管就像一個(gè)“籠子”，可以減少電極的體積膨脹，使其能夠比粉末電極以更小的“壓力”工作：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這意味著離子只需要交流幾次。納米可以通過(guò)圓錐形的三維電極材料，但如果電極材料是平面的，離子可能需要幾微米才能溝通。” 他表示，新結(jié)構(gòu)“從根本上提高了電池的充放電速度”。

此前，一款“下一代超級(jí)電容”（命名為超快充碳電池）產(chǎn)品發(fā)布。 據(jù)該公司稱(chēng)，這款超級(jí)電容器具有超高的充放電倍率，并實(shí)現(xiàn)了“市場(chǎng)上最低的電氣串聯(lián)內(nèi)阻”。 根據(jù)NAWA的電極技術(shù)，可幫助鋰基電池實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化：電池電量提升10倍，儲(chǔ)能提升高達(dá)3倍，電池壽命周期提升高達(dá)5倍，充電時(shí)間縮短從幾小時(shí)到幾分鐘。

“通常，任何技術(shù)都有利有弊，所以總會(huì)有選擇，例如粉末電極就是這種情況，”他說(shuō)。 “如果你想減少能量存儲(chǔ)，你就減少功率；它消耗更多的電池。但是，有些電池技術(shù)肯定被高估了?！?目前，大部分電動(dòng)車(chē)車(chē)主都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)車(chē)行駛時(shí)間越長(zhǎng)，汽車(chē)電池的耐用性就越差。

與柴油底盤(pán)不同，電動(dòng)汽車(chē)的電池消耗不會(huì)線性增加。 說(shuō)，“我們的技術(shù)是相同的——但是，因?yàn)槲覀冇懈咚降墓β屎湍芰看鎯?chǔ)，這意味著你有更多的余量，所以無(wú)論充電如何，電池都很少‘過(guò)度放電’?！盢AWA 的初步結(jié)果包括美國(guó)電池巨頭 SAFT 在內(nèi)的開(kāi)發(fā)合作伙伴表明，在先進(jìn)的鋰離子電池中使用 UFCE 電極至少可以使儲(chǔ)能增加一倍。 “因此，電動(dòng)汽車(chē)將擁有更多的能量，可以跑得更快、更遠(yuǎn)，”他說(shuō)。

電動(dòng)汽車(chē)電池電極的 3D 垂直結(jié)構(gòu)。 （圖片來(lái)源：NAWA）

碳納米材料的協(xié)同效應(yīng)

據(jù)稱(chēng)，NAWA的3D碳納米材料電極經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，特別適合制造。 碳納米管的制造過(guò)程與光伏面板或工業(yè)玻璃的生產(chǎn)“非常相似”。 據(jù)稱(chēng)，碳納米管的生產(chǎn)“不貴”：生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，產(chǎn)值和成品率大幅提升，成本可以控制得很低。

說(shuō)，“我們預(yù)測(cè)，生產(chǎn)一平方米碳納米管的成本應(yīng)該與相同面積的涂層相似，但使用的天然材料和來(lái)自可持續(xù)碳源的材料更少。但是，單位平方米的碳納米管可以?xún)?chǔ)存更多的能量，因此碳納米管在每瓦時(shí)的成本方面應(yīng)該更實(shí)惠?！?/p>

人們還認(rèn)識(shí)到，UFCE 電極的商業(yè)化可能面臨一些障礙。 “我們有幾種方法可以將 3D 電極概念推向市場(chǎng)，”他說(shuō)。 最簡(jiǎn)單的方法是在銅基板上刷上一層特別薄的碳納米管，從而與電池行業(yè)已經(jīng)在使用的碳涂層銅基板競(jìng)爭(zhēng)。 據(jù)稱(chēng)，這些方法生產(chǎn)的電極材料具有更好的電性能和錨固性能，2021年已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，真正的3D結(jié)構(gòu)UFCE電極“可能在2023年初小批量推出，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)”。 NAWA的UFCE電極也有應(yīng)用于氫燃料電池系統(tǒng)的潛力。 電容器回收否則會(huì)被浪費(fèi)的能量。 據(jù)說(shuō)UFCE電極還可以作為燃料電池的膜電極。

“事實(shí)證明，使用的貴金屬鉑更少，”從而節(jié)省了成本。 據(jù)悉，NAWA集團(tuán)的另一事業(yè)部還在研發(fā)各種創(chuàng)新材料，采用該材料制成的氫碳復(fù)合儲(chǔ)罐重量更輕、強(qiáng)度更高。 NAWA 位于加拿大內(nèi)華達(dá)州，專(zhuān)注于多功能和高強(qiáng)度復(fù)合材料的商業(yè)化。 該公司的概念是使用由數(shù)萬(wàn)億個(gè)碳納米管組成的薄膜，這些碳納米管與碳纖維層垂直排列。

據(jù)說(shuō)，這層薄膜就像一顆“納米尼龍鉚釘”，可以改善復(fù)合材料中最薄弱的環(huán)節(jié)，即層與層之間的接觸面，從而大大增強(qiáng)材料抵抗剪切和沖擊載荷的能力。 不僅 3D-UFCE 和 NAWA 公司還有另一項(xiàng)創(chuàng)新：。 這是一種使用碳納米管的混合結(jié)構(gòu)電池。 得益于復(fù)合結(jié)構(gòu)，這些電池針對(duì)熱剛度和電能存儲(chǔ)性能進(jìn)行了優(yōu)化。

我覺(jué)得在未來(lái)，“和”的結(jié)合將有很大的潛力創(chuàng)造出可以?xún)?chǔ)存能量的多功能輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。 汽車(chē)重量?！?/p>