更厚更密更好新电极可能是先进电池的关键

随着世界将能源消耗转向更加电力化的系统、减少对化石燃料的依赖并优先考虑气候修复工作，对高性能电池的需求，特别是用于电动汽车的需求正在激增。为了提高电池性能和产量，宾夕法尼亚州立大学的研究人员和合作者开发了一种新的制造方法，可以制造出更高效的电池，以维持能量和功率水平。

孙洪涛表示，改进的电池电极制造方法可能会带来高性能电池，从而实现更节能的电动汽车，并带来增强电网存储等好处。孙是宾夕法尼亚州立大学工业和制造工程系的助理教授，也是该研究的共同通讯作者，该研究发表在《Carbon》杂志的封面上。

孙说：“使用现有的电池，我们希望它们能够让我们驾驶汽车行驶更远的距离，并且我们希望在五分钟、十分钟内给汽车充电，这与加油所需的时间相当。”“在我们的工作中，我们考虑了如何通过使电极和电池更加紧凑、增加有源元件的比例和降低无源元件的比例来实现这一目标。”

如果电动汽车制造商想要提高车辆的行驶距离，他们会添加更多电池，数量达到数千个。Sun表示，越小、越轻越好。

孙说：“电动汽车更长行驶距离的解决方案只是添加紧凑型电池，但电极更密集、更厚。”他解释说，这种电极可以更好地连接电池组件并为其供电，使它们更加活跃。“虽然这种方法可能会稍微降低单位电极重量的电池性能，但它通过减少电池组的重量和移动电动汽车所需的能量，显着提高了车辆的整体性能。”

更高效的电极(一种电池中的电力网关)可以帮助实现具有更高百分比活性成分的电池。

“如果你考虑电池内部的核心部件，就会发现只有电极对电池性能有贡献，”孙说。“其他的像封装、隔膜、集流体等都是无源器件，会增加重量，对电池性能没有任何贡献。如果我们想提高电池性能，就需要在电池上下工夫。”电极材料并最大限度地提高其在电池中的重量百分比。”

之前通过更好的电极来提高电池性能的尝试仅集中于一个指标，但效果并不那么有效，因为电池在其他权衡指标上表现不佳。例如，当电池优先考虑高重量性能(相对于其重量可以存储的能量)时，可能会导致面积性能(每单位面积可以存储多少电荷)和/或体积性能降低(相对于电池尺寸传递的电量)。

通常，电池由设置在两个电流导体箔之间并由绝缘体隔板隔开的阳极和阴极薄膜电极组成。增加这些电极的厚度可以通过提供更多的存储和释放能量的空间来提高能量存储容量和密度。较厚的电极可以存储更多的电荷，因此，就像较大的水箱可以容纳更多的水一样，可以容纳更多的能量。然而，它们的电荷传输也很差，这降低了它们的整体性能。

Sun和他的研究团队专注于制造具有优化电荷传输路径的更厚电极，旨在实现面积、体积和重量这三个指标的高性能。

为了克服较厚电极电荷传输动力学较差的挑战，研究人员开发了一种将火花等离子烧结(SPS)应用于电极的方法。SPS是一种节能技术，利用热量和压力将材料压实并致密化为固体物体，例如电极。

“SPS使我们能够制造出非常厚且致密的电极，”Sun说。“电池电极的典型厚度仅为50微米到100微米左右，但现在，在这项工作中，我们讨论的是300微米、500微米。这比真实电池中电极质量的比例高出五倍设备。”

该技术在电极中实现了垂直排列的碳网络和孔隙通道，使阴极具有高电极密度，可实现高体积性能和高质量负载(存在的活性材料量)，可实现高面积性能，同时展示快速电荷传输。

Sun表示，使用研究人员新设计的具有快速电荷传输能力的较厚电极将增加活性成分的百分比，并增强按电池组总重量标准化的能量容量。由于电极的度，它们还使电池变得紧凑，从而可以在同一空间内封装更多的电极活性材料。

据Sun称，研究的下一步包括开发一种以可扩展的方式制造这些电极的工艺，并研究其他策略以减少电池重量的比例并在车辆中提供更多的电池空间。

“我们正在研究如何开发结构电池以及如何将它们集成到车辆结构中，”孙说。“例如，我们可以将电池集成到电动汽车的车顶中，实际上使其成为结构的一部分。在这种情况下，我们可以大大减轻车辆的重量，因为我们将功能和结构结合起来。

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