使用新型納米碳電極或是縮短電動汽車充電時間的關鍵。

NAWA 認為，公司的納米結構電極將為電動汽車電池帶來階躍性進展。（圖片來源：NAWA）

最近，法國納米材料初創(chuàng)公司 NAWA Technologies 聲稱已經(jīng)開發(fā)出一種技術，可以顯著提高電動汽車電池的儲能效率。根據(jù)公司創(chuàng)始人兼首席技術官 Pascal Boulanger 的說法，NAWA 的 UFCE 超快充碳電極可以將電動汽車電池的充電時間縮短至與汽油汽車加油差不多的水平，并同時將電池壽命最高提升 5 倍。

在接受 SAE International 采訪時，Pascal Boulanger 表示，UFCE 電極技術可以將市面上主流電動汽車的續(xù)航里程增加至 1，000 公里（620 英里），并實現(xiàn) 5 分鐘內(nèi)充電80％ 的超高速充電。他指出，“UFCE 電極的獨特之處在于采用了 3D 結構的 VACNT 垂直對齊碳納米管。

每個碳納米管實質(zhì)上都是一個卷成圓柱型的石墨烯片。這些納米管的直徑相較于其長度而言非常細，其比例相當于一根長約 1 公里的意大利面。而 UFCE 電極正是由數(shù)百萬億根這樣的碳納米管組成的！”Boulanger 表示，UFCE 電極適用于各類先進電池化學技術。

實現(xiàn)“最高”離子電導率 Boulanger 解釋說，目前鋰基電池的性能主要受電極設計和電池材料的限制。目前，粉末電極的導電性和導熱性均較差，充放電間的力學性能也不高，并且可能面臨安全和使用壽命有限等問題。

Boulanger 表示，當下電極材料的微結構決定了其中的離子難以四處自由移動，因此電導率較低。UFCE 電極采用的專利 VACNT 碳納米管，憑借 3D 結構可以取得“最高”的離子電導率，而且又借助納米管的超長長度同時獲得非常好的導電性和導熱性。Boulanger 說，這些特性可以解決電池熱失控的問題。

從力學上看，VACNT 納米管可以像“籠子”可以減少電極的體積膨脹，從而使其能夠在比粉末電極更小的“應力”下工作：“簡單地說，這意味著離子僅需移動幾納米即可穿過圓柱形的立體電極材料，但如果電極材料是平面的，則離子則可能需要移動幾微米?！盉oulanger 表示，新結構“從根本上提高了電池的充電和放電速率”。

此前，NAWA公司還曾發(fā)布過“下一代超級電容器”（名為超快充碳電池）產(chǎn)品。公司稱，這款超級電容器擁有超高的充放電速度，且取得了“市面上最低的電氣串聯(lián)電阻值?！?Boulanger 表示，NAWA 的電極技術可以幫助鋰基電池實現(xiàn)性能優(yōu)化：電池功率提高 10 倍、能量存儲最高提升 3 倍、電池壽命周期最高提升 5 倍，而且充電時間從幾小時縮短到僅幾分鐘。

“通常情況下，任何技術都有優(yōu)劣勢，因此總要有所取舍，比如粉末電極的情況就是這樣?！盉oulanger指出，“你要增加能量存儲，就要降低功率；汽車要跑得更快，就要更多消耗電池。不過，還有一些電池技術絕對是被低估了?！?目前，大多數(shù)電動車車主已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電動汽車開的時間越長，車輛的電池就越不經(jīng)用。

與汽油發(fā)動機不同，電動汽車的電池損耗不是線性下降的。Boulanger 說，“我們的技術也是如此 – 然而，由于我們的功率和儲能水平都更高，這意味著您將獲得更多富余，因此無論電量如何，電池‘過度放電’的情況都將很少發(fā)生?！盢AWA 公司研發(fā)合作伙伴（包括法國電池巨頭 SAFT）的初步結果表明，先進鋰離子電池使用 UFCE 電極可以將儲能量最少增加一倍。Boulanger 說，“因此，電動汽車將擁有更多能量，可以跑得更快，同時也跑得更遠?！?/p>

3D 垂直結構的電動汽車電池電極。（圖片來源：NAWA）

碳納米材料的協(xié)同效應

Boulanger 說，NAWA 公司的 3D 碳納米材料電極經(jīng)過專門設計，非常易于制造。VACNT 碳納米管的制造工藝與光伏板或工業(yè)玻璃生產(chǎn)“非常相似”。Boulanger 聲稱，碳納米管的生產(chǎn)“并不昂貴”：生產(chǎn)設備已過驗證，產(chǎn)量和良率均大大提高，成本可以控制得很低。

Boulanger 說，“我們預測，生產(chǎn)一平方米碳納米管的成本與生產(chǎn)同等面積的涂層應該差不多，但所需的天然材料和可持續(xù)碳源材料更少。不過，單位平方米碳納米管可以存儲的能量更多，因此如果按照單位瓦時成本來說，碳納米管應該更便宜?！?/p>

Boulanger 也意識到 UFCE 電極的商業(yè)化可能面臨一些障礙?！拔覀冇泻芏喾N方式可以將 3D 電極概念推入市場，”他說。最簡單的方法是在銅基板上刷一層非常薄的 VACNT 碳納米管，從而與目前已經(jīng)在電池行業(yè)投用的碳涂層銅基板競爭。Boulanger說，通過這種方法生產(chǎn)的電極材料具有更好的電性能和錨固性，并且已經(jīng)可以在 2021 年實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

從長遠來看，真正的 3D 結構 UFCE 電極“可能會在 2023 年初小批量上市，并在 2025 年實現(xiàn)量產(chǎn)?！?NAWA 公司的 UFCE 電極也有潛力應用至氫燃料電池系統(tǒng)，可以使用 NAWA 公司的 NAWACap 超級電容器回收本來會被浪費掉的能量。Boulanger 表示，UFCE 電極也可以作為燃料電池的膜電極。

“事實證明，NACNT 使用的貴金屬鉑更少”，因此可以節(jié)省成本。此外，NAWA 集團另一個事業(yè)部還在開發(fā)各種創(chuàng)新材料，使用這些材料制作的氫碳復合儲罐的重量更輕、強度更高。 NAWA美國公司位于美國俄亥俄州 Dayton 市，專注于多功能超強復合材料的商業(yè)化。公司的 NAWAStitch 概念采用了一層內(nèi)含數(shù)萬億個與碳纖維層垂直排列的 VACNT 碳納米管薄膜。

Boulanger 表示，這層薄膜就像是一個“納米尼龍搭扣”，可以增強復合材料中連接最薄弱的環(huán)節(jié)，即層與層之間的接觸面，因此可以大大提高材料抵抗剪切和沖擊載荷的能力。 除了 3D-UFCE 和 NAWAStitch，NAWA 公司還有另外一項創(chuàng)新：NAWAShell。這是一種采用 VACNT 碳納米管的混合結構電池。由于采用了復合結構，這種電池的力學強度和電能存儲性能均得到優(yōu)化。

Boulanger 認為，未來“NAWAStitch 和 NAWAShell 的結合使用將發(fā)揮巨大潛力，創(chuàng)造可以儲存能量的多功能輕質(zhì)堅固材料，比如可以使用這種材料制造車輛的太陽能板車頂，幫助車輛儲存更多能量，而且?guī)缀醪粫黾榆囕v重量?！?/p>

編輯：jq