宾夕法尼亚州立大学:更厚更密集的电极

电动悟空摘录 随着全球能源消费向电气化程度较高的驱动系统转变，减少对化石燃料的依赖，优先考虑气候修复，对高性能电池的需求，特别是对电动汽车的需求激增。据外国媒体报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究人员和合作伙伴开发了一种新的制造方法，可以制造出更高效、能量和功率水平保持不变的电池。

更厚更密集的电极(图片来源:宾夕法尼亚州立大学)

宾夕法尼亚州立大学工业与制造工程助理教授 Sun说，这种改进的电极制造方法可以生产高性能电池，从而实现更节能的电动汽车，也可以带来改善电网储电功能的好处。

Sun教授说：“我们希望当前的电池能使汽车行驶更长的距离，并希望在5分钟或10分钟内给汽车充满电，就像加油时间一样。在我们的研究中，我们考虑了如何使电极和电池更紧凑，使用更高比例的活性成分和更低比例的被动元件来实现这一目标。”

如果电动汽车制造商想要提高电动汽车的范围，他们需要增加更多的电池，数量可以达到数千元。据Sun教授说，电池越小，越轻，就越好。

“让电动汽车行驶更长距离的解决方案是增加紧凑型电池，但它需要更密集、更厚的电极。”他解释说，这种电极可以更好地连接和驱动电池组件，使它们更活跃。”虽然这种方法可以稍微降低每个电极的电池性能，但通过减少电池组的重量和电动汽车所需的能量，可以显著提高车辆的整体性能。”

电极中的一种电能通道——可以帮助电池获得更高比例的活性成分。

“考虑到电池的核心部件，只有电极有助于电池的性能，包装、分离器、集流器和其他部件是只增加重量而不贡献电池性能的被动部件，”Sun教授说。如果我们想提高电池的性能，我们需要研究电池的电极材料，并在电池中最大限度地提高其重量百分比。”

以前使用更好的电极来提高电池性能的研究只集中在一个指标上，这并不有效，因为电池在其他指标上表现不佳。例如，当电池优先考虑高重量性能（与可存储的总能量相比）时，可能会导致面积性能（每个单位面积可存储多少电荷）和/或体积性能（与电池尺寸可提供的总电荷相比）的降低。

一般来说，电池由阳极和阴极薄膜电极组成，电极位于两个电流导体箔之间，并被绝缘体隔膜隔开。为了提高能量的储存容量和密度，增加这种电极的厚度可以提供更多的储存和释放能量的空间。更厚的电极可以储存更多的电荷，即容纳更多的能量，就像更大的水箱可以储存更多的水一样。然而，这种电极的电荷传输能力较差，会降低电池的整体性能。

Sun教授及其团队专注于制造更厚的电极，并优化其电荷传输方式，以实现面积、体积和重量的高性能。

研究人员开发了一种烧结火花等离子体的方法，以克服厚电极电荷传输动能差的挑战（SPS）用于电极的方法。SPS是一种节能技术，利用热能和压力将材料压缩成电极等固体物体。

Sun教授说：“SPS让我们制造一个非常厚和密集的电极。一般电池电极的厚度只有50微米到100微米左右。但研究中的电极厚度为300微米，是当前电池设备中电极质量比的5倍。”

该技术实现了电极中垂直排列的碳网络和孔隙通道，使阴极具有高电极密度、高体积性能和高质量负荷（活性物质）、同时，高面积性能可以快速传输电荷。

Sun教授说，新设计的厚电极具有快速电荷传输能力，可以提高活性成分的百分比，提高标准重量电池组的能量容量。由于电极密度高，更多的电极活性材料也可以在同一空间内包装。

据Sun教授介绍，该研究的下一步包括开发一种可以大规模制造电极的过程，并研究其他降低电池重量比例的策略，为车辆提供更多的电池容纳空间。

Sun教授说：“我们正在研究如何开发结构电池，以及如何将其集成到车辆结构中。例如，我们可以将电池集成到电动汽车的屋顶上，使其真正成为车辆结构的一部分。在这种情况下，由于功能和结构的成功结合，我们可以大大降低车辆的重量。”