垂直層疊加厚電極方案有望兼顧電池容量和快充速度提升

在 2022 年 9 月 26 日發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的一篇文章中,德州大學奧斯汀分校的一支研究團隊,詳細介紹了《用於高密度厚電池電極垂直組裝納米片網絡》。為了提升快充速度和增加續航里程,科學家們在實驗中提出了一種很有前途的設計。突破的關鍵,在於運用由垂直堆疊層組成的加厚電極,以更容易地傳輸鋰離子

垂直層疊加厚電極方案有望兼顧電池容量和快充速度提升

(圖自:UT Texas)

該校研究團隊稱,這項工作旨在尋求可用於未來電動汽車的大功率儲能系統。不過使用非常精細的二維材料堆疊層來製成電池的電極,也有着一定的局限性。

更厚的垂直電極,意味着更高的儲能潛力,因為鋰離子能夠覆蓋更多的面積。而水平排列的傳統電極材料層,會迫使鋰離子在進出時來回彎曲,結果拖累了充電速度的提升。

研究作者 Guihua Yu 表示:

通常情況下,二維材料被視作高速儲能應用的潛在候選材料,理由是它們只需幾納米厚、就可以快速傳輸電荷。

然而基於厚電極設計的下一代高性能電池,會在將納米片重新堆疊為構建模塊的時候,遇到電荷傳輸的重大瓶頸、使之難以兼顧高能和快速充電。

為了實現高能和快充,科學家們想出了一種將電極材料薄層組合到一起的新方法。

具體說來是,通過使用磁場來仔細操縱這些層的方向,將它們以垂直、而不是典型的方式來堆疊。

如此一來,我們就營造出可讓鋰離子有效通過電極的高品質傳輸路徑的效果。

垂直層疊加厚電極方案有望兼顧電池容量和快充速度提升

(來自:PNAS)

研究合著者 Zhengyu Ju 補充道:“這種電極表現出了優異的電化學性能,部分原因是新設計的獨特架構具有高機械強度、高導電性、以及促進鋰離子傳輸的特性”。

實驗室測試表明,其性能遠超當前的商用方案。與採用水平堆疊電極層的對照組相比,垂直堆疊方案能夠在 30 分鐘內充入 50% 電池容量,遠快於前者的 2 小時 30 分鐘。

儘管仍處於早期研發階段,但該校團隊還是分享了其它文獻報道中提到的最佳容量參考數據,並堅信他們的技術路線有望讓 EV 續航達到市售產品的兩倍。

不過在正式投入商用量產之前,他們仍有許多工作要完成。比如目前 UT Taxes 團隊僅將該技術用到了單一類型的電池電極上,而想要證實這種“潛在通用方法”,顯然仍需進一步的研究。