法國發明出世界最快的電極：可將鋰電池的密度提高3倍

法國發明出世界最快的電極

法國公司納瓦科技公司近日表示，它已經在生產一種新的電極設計，可以從根本上提高現有和未來電池化學成分的性能，提供高達3倍的能量密度，10倍的功率，大大加快充電速度，電池壽命長達5倍。

納瓦公司在超級電容器市場上的工作已經很有名氣，該公司已經宣布，它在那些超級電容器上使用的高科技電極同樣可以適用於電流型鋰離子電池等，以實現一些巨大的、改變遊戲規則的好處。

這一切的核心在於電極中保持活性的材料，以及該材料中的離子傳遞其電荷的路線。現在典型的活性炭電極是由粉末、添加劑和粘結劑混合而成。在使用碳納米管的地方，它們通常是以雜亂無章的 方式粘在上面。這就給帶電離子提供了一個隨機的、混亂的、經常受阻的路徑，使其在負載下到達電流收集器的路上。

左邊是典型混亂的電極結構，右邊是垂直排列的碳納米剛性結構

納瓦公司的垂直排列碳納米管則創造了一個更像毛筆的陽極或陰極結構，每平方釐米的區域都有千億根筆直的高導電性納米管伸出來。然後，這些根根分明的細小極點都被塗上了活性材料，不管是鋰離子還是其它東西。

這樣的設計結果是大大減少了離子的平均自由路徑，也就是電荷進入或離開電池所需的距離，因為每一個鋰球都或多或少地直接附著在納米管上，納米管就像一條直線高速公路和電流收集器的一部分。

納瓦公司創始人兼首席技術官帕斯卡·布朗厄爾說："離子需要移動的距離僅僅是通過鋰材料的幾納米，而不是普通電極的微米。"

這從根本上提升了功率密度（電池提供快速充放電速率的能力），最多可提升10倍，這意味著較小的電池可以發出10倍的功率，而這些電池的充電時間也可以同樣大幅降低。納瓦公司方面說，只要有合適的充電基礎設施，5分鐘的充電時間應該可以讓用戶從0充到80%的電量。

此外，由於超輕的納米管有空隙，而且無關的粘結劑和添加劑材料較少，所以含有一定量活性材料的電池可以變得更輕、更緊湊。無論是按重量還是按體積計算，能量密度都會有2-3倍的提升。

納米管陣列的剛性結構和巨大的表面積，以及附著在其上的微小鋰球的廣泛分布，消除了一些導致電池逐漸減少、性能下降和隨著時間推移而衰減的因素。納瓦公司宣稱，使用這種技術，電池的壽命應該可以延長5倍。

布朗厄爾表示："製造電池是非常困難的，必須掌握很多參數。但如果想掌握這些參數，需要擁有最高的電導率。需要有最高的熱導率，就需要擁有最高的離子傳導性。而這正是我們的材料能夠給電池製造商帶來的東西。"

南澳大利亞州弗林德斯大學化學和物理科學學院研究員、電池技術和碳納米管的獨立專家卡梅倫·希勒博士說："研究表明，垂直排列的碳納米管的性能遠遠高於隨機放置的碳納米管。我對導電性能達到提升10倍並不感到驚訝。控制碳納米管的擺放位置才是真正釋放其潛力的方法。商業化的問題是生產排列碳納米管的相關成本。我猜測成本會遠遠超過10倍"

對此，納瓦公司表示，這是一個百萬美元就能解決的問題，所使用的工藝與防反射塗層的玻璃以及光伏的塗層工藝是一樣的。它已經非常便宜了。

布朗厄爾說："在大批量的情況下，這將與現有的電極具有成本競爭力。在光伏板內沉積抗反射塗層的成本是每平方米幾分錢。這是一樣的，我們只是沉積我們的材料，因為我們已經掌握了這個技術工藝。眾所周知，垂直排列的碳納米管的生長速度是非常非常快的。我們可以將垂直排列的納米管生長到，比方說，每分鐘100微米。在爐子裡只需要一分鐘。我們已經在非常大的表面上擴展了這一過程，並且在大氣壓下，在較低的溫度下工作的過程中，我們可以做到這一點，有點像印刷報紙。"

納瓦公司現在已經有一個完整的生產裝置開始運行，為其超級電容器裝置提供垂直排列的碳納米管。這種電極技術可以用在圓柱形電池或各種尺寸的扁平電池上。而且也不一定非得是鋰離子電池。該公司已經開發了一些工藝，使納米管與一系列活性材料更加兼容，包括矽、鎳錳鈷和硫的化學成分，以及一些其他更奇特的材料，它正在與特定的電池製造商進行探索。

納瓦公司宣稱，在某些情況下，這種方法消除了阻礙某些其它電池化學成分的問題。例如，矽基電池的能量密度約為鋰離子電池的2倍，但活性材料在充電時長到4倍大小，放電時又縮回，造成機械問題，導致裂縫。

這種工藝在所有不同形狀的電池和一系列電池化學中都能同樣良好地工作

布朗厄爾說，將這些矽以小塊狀的方式沉積在那些碳納米管上，它們不僅有更多的空間可以擴展到，而且有一個高度剛性的結構制約著它們。他說："納米管是牢不可破的。任何擴張都是橫向的，而不是在電極厚度上。而納米管結構就像一個籠子。對於矽，人們認為解決方案是創造一種核心/外殼納米粒子，膨脹、收縮的矽被約束在導電的碳殼內。這就是今天矽電池的的模式。我們做的也是一模一樣，但我們沒有核心/外殼，而是有一種籠子，網狀籠子。"

這種技術將使矽電池再次煥發生命，可以將其能量密度再次翻倍，達到今天鋰電池的六倍左右，同時由於這種工藝消除了昂貴的稀有鋰金屬，因此矽電池的價格可能會大幅下降。

布朗厄爾團隊正在為另一家製造商研究的一種化學成分，這種化學成分眾所周知是不穩定的，並且存在嚴重的膨脹問題。他說，早期的測試表明，新工藝為電池的壽命增加了十倍，這使得這種化學成分從真正的小眾應用的東西，到可以大規模應用的東西。

預計在2022年之前，市場上可以看到這些新的高密度電池，然後從2023年開始大規模普及。

轉向這種電極將要求電池公司在電池組裝之前對其製造工藝的早期階段做出一些相當大的改變。但是，這樣的性能倍增，而不需要對電池化學進行任何改變，肯定會使這些東西非常具有很競爭力。

納瓦公司的第一個大規模客戶是法國電池製造商Saft。作為歐洲電池聯盟的一部分，該公司正在與雪鐵龍和雷諾合作，為這些旗下的品牌開發電動汽車電池。此外，該公司還在直接與一些汽車公司以及其他為電動汽車領域供貨的電池製造商進行洽談。

對於電動汽車、摩託車、電動自行車和其他新興的地面運輸模式來說，這種能量和功率密度的提升將是革命性的。另外，這顯然也代表著電動航空領域的巨大潛在飛躍，目前鋰電池的重量、能量密度和緩慢的充電時間對零排放飛機的續航能力和商業可行性造成了巨大的限制。