鉅大LARGE | 點擊量：990次 | 2021年09月13日
升級電池:電極材料配合新型粘合劑是現實選擇
體積更小、容量更大是我們對電池的一種最終夢想，但這兩種要素在絕大多數時候都顯得自相矛盾。在現有的技術條件之下，電池容量與體積正在構成一種正比關系，體積越大，電力就越持久。
這是一件很難兩全其美的事。目前在世界范圍內，對電池蓄容能力的開發重要采取兩種辦法，一種是尋找更好的電極材料，另一種就是改變電池的加工工藝。而我國科學院化學研究所研究員郭玉國告訴《第一財經周刊》，前者的摸索已經接近了極限，后者要付出的成本也過于昂貴，無法使產品實現規模化生產。郭玉國是我國硅酸鹽學會固態離子學分會理事，也曾在德國馬普協會納米能源化學重大項目組擔任項目研究員。
一個完整的充放電的過程，就是鋰離子向電池兩極移動的過程。充電，就是將鋰離子送往充電電池的正極，當所有鋰離子都到達正極、填滿石墨烯材料之間的縫隙的時候，電池就充滿了；相反，當鋰離子的電力逐步失去，它們就會往負極移動，當所有鋰離子都到達負極，電力也就耗盡了。
這就是為何通常電池的體積越大、電力就越強的原因。因為有了更大的電池正極，就可以吸附更多的帶電鋰離子。
眼下常見的充電電池都是鋰離子電池。每一塊鋰離子電池的正極，都被裝上了石墨烯材料。更簡單地說，這是一種碳層，用來吸附存儲了電力的鋰離子。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為了提高對鋰離子的吸附能力，人們已經不止一次地在改善電極材料上做出嘗試。
芝加哥西北大學的化學和生物工程系教授HaroldKung曾想出了一種辦法，他把另一種可以吸附鋰離子的材料硅，夾在石墨烯中間。在試驗中，硅可存儲的鋰離子數量比石墨材料要多10倍。
在充放電過程中，石墨烯和硅一起膨脹收縮，石墨烯可以保證硅的形狀穩定，不至于破裂。這種辦法真的使電池的儲電量達到了原來的10倍。但它的缺點也很快暴露，Kung后來承認在充電150次之后，它的儲電量和充電速度都會驟降，在產品耐用性方面遠遠達不到要求。
另外一家位于加利福尼亞的創業公司Amprius，正在試驗一種可以彎曲、膨脹、四處移動的硅納米線，將鋰離子收納其中。這種技術要一種全新工藝，這種工藝此前并沒有用于電池制造，成本也不菲。
不過美國勞倫斯·伯克利國家實驗室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）的科學家們，現在似乎找到了一種新方法。他們正在研究的一項技術，可以使電池的電力容量提高30%以上，并且可以更小、更耐久。更關鍵的一點是，這一技術可以在現有的制造工藝上實現，因而不會有過多的成本支出。
他們計劃將用硅全面代替石墨烯，而不是將兩者混合。有一點不能否認，那就是在所有被摸索出來的方法中，硅材料有著最佳的對帶電鋰離子的吸附能力。
然而在電池正極上使用硅，到現在也仍然是一個大難題。勞倫斯·伯克利實驗室環境能源技術部的研究員劉高作的一個比喻是：石墨就像海綿，當它吸收鋰離子之后，會保持形狀；但硅卻更像一個氣球，在充放電的過程中會膨脹和收縮，一旦發生碎裂，就會完全失去導電性。
石墨烯畢竟不是粘合劑，它無法粘住那些可能發生破碎的硅顆粒，讓它們一直保持高導電性，同時富有彈性。這正是Kung的計劃失敗的原因。
是的，粘合劑，劉高計劃用它將電池正極上的硅材料粘在一起。在目前的電池制造工藝中，本就會在石墨顆粒表面涂抹一種粘合劑。使用粘合劑的理念，無需對現有制造工藝做出太大改動，對生產廠商而言不會造成額外的技術負擔。
利用硅和新型粘合劑的結合，的確是現有技術條件下，最有效的一個突破方向。郭玉國說。
這一計劃的另一個關鍵角色是3M公司。劉高的小組目前正在與3M公司合作，測試一種新型的粘合劑。作為全球知名的化學材料公司，3M在粘合劑研究領域一直保持著領先地位。
劉高與一些理論化學家一起，在由3M供應的眾多的聚合物中尋找具有電氣性能的，一旦發現就想辦法讓它們變得更加有粘性，這要漫長而枯燥的測試。
目前實驗小組已經測試了650個充電周期。他們已經測試出的一種粘合劑，用在其他材質的電池上，包括對錫制成的電池也同樣有效。現在劉高已經拿到了這種粘合劑的專利。
3M公司還證實，旗下的廠計劃擴大硅基電池材料的生產規模，為未來新型電池的量產做準備。
這個未來可能不會太遙遠。按照已經公布出來的數據，利用硅材料和粘合劑，新型電池可以達到的存儲容量為每克1400毫安時，這意味著它在1小時內完全放電的電流將達到1300毫安，這一數字比傳統陽極存儲的300毫安高多了。
這是一個好消息，未來的電子產品或許不會再遭遇蘋果公司NewiPad的尷尬：出于對提高電池容量等多方面的考慮，NewiPad將產品厚度從上一代的8.8毫米新增到了9.4毫米。但即便只有0.6毫米，一些用戶也并不買賬，認為這有違蘋果新一代產品會更輕更薄的傳統，并且影響使用。
假如新型電池能應用到純電動汽車等更大型的設備上，會是另外一番情景。比如你可以開著電動汽車來一次長途旅行，而無需像現在這樣極度依賴充電站。
你看，升級電池實際上也完全可以成為提升用戶體驗的一部分。
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