什么新型电池？让开电车不再焦虑

撰文 / 钱亚光

设计 / 赵昊然

对于动力电池制造商而言，目标始终如一：更高的能量密度、更快的充电速度、更高的成本效益以及更好的安全性。但实现这些目标的方式一直在不断变化。如今，研究人员找到了实现这一目标的新“配方”。

想象一下，你正开着一辆全新的电动汽车行驶在高速公路上，一路疾驰，而充电站却寥寥无几。续航里程焦虑的记忆涌上心头，但随后你意识到，你驾驶的这辆电动汽车配备了全新的电池组，其研发正是为了能够实现长距离行驶且无需频繁充电。而当你需要停车充电时，充电所需的时间也大大缩短，让你可以放松心情、充满信心地继续前行。

研究项目负责人尼尔斯·彼得·瓦格纳在 SINTEF 的实验室中。照片来源：Silje Grytli Tveten

尼尔斯·彼得·瓦格纳（Nils Peter Wagner）是欧洲最大的独立研究机构之一——挪威科学和工业研究基金会（Stiftelsen for industriell og teknisk forskning，SINTEF）的一名资深研究科学家，他负责协调欧盟智能电池项目IntelLiGent中的相关工作。瓦格纳表示，该项目的研究人员已经对先进的材料和组件进行了试验，以改进电池性能。

“从很多方面来讲，可以说我们通过选择一些最优质、成本最低且对环境危害最小的原材料，为未来的电池技术创造了一种‘配方’。我们对电池单元的每一个细节都进行了研究。”瓦格纳说道。

SINTEF是一个非营利性研究基金会，成立于1950年，在80个国家拥有2200名工作人员，其中71%是研究人员，60%拥有博士学位。它通过与挪威科技大学（Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet，NTNU）合作，开展自然科学、技术（包括建筑和土木工程）以及健康和社会科学方面的研究。

瓦格纳手里的可不是两个笔记本，而是新电池单元的样本。图片来源：Silje Grytli Tveten

如果把电池想象成一个三明治，在顶部我们会发现一个阴极。阴极使用的是 IntelGent 开发的新材料 LNMO，其全称为锂镍锰氧化物。这种材料不含钴，且锂和镍的含量低于当今电池所使用的材料。

这是一种被定义为关键原材料的材料，让该项目开发的电池替代组件具有更低的碳足迹。“LNMO 阴极材料能提供稳定的高平均电压，不会失效。它还有高能量密度，这意味着它能在更小的体积内产生更多的能量，从而使电池的续航里程更长，”瓦格纳说道。

电池的组成部分。图片来源：SINTEF

挑战在于这种材料存在一些“成长中的烦恼”，导致电池使用寿命缩短。据研究人员介绍，他们已经通过开发新一代LNMO阴极材料来改善了这一状况，这种材料能提供更好的电池性能和容量。

“这些节能、高容量的阳极在提升电池性能方面起着至关重要的作用。然而，硅阳极在充放电过程中会显著膨胀，这可能导致材料分解。我们通过利用石墨的稳定性解决了这个问题，从而使电池具有最佳的耐用性和使用寿命。”瓦格纳说道。

电池阳极由硅和石墨组成的复合材料制成。硅能够吸收更多的锂离子，从而提供更多的能量，而石墨则能提供强度和稳定性，使电池使用寿命更长。IntelLiGent 的硅-石墨复合材料由挪威的 Vianode 生产，他们能够生产出排放更低、资源消耗更少的材料。

从很多方面来看，这种电池通过选择一些最优质、最经济实惠且对环境危害最小的原材料，为未来电池技术创造了一种“配方”。

研究团队还在研发一种特殊的电解液，用于保护电池中的阳极和阴极。这使得电池更加稳定，使用寿命更长。

“我们最近完成了电解液的开发，并在第一代原型电池中进行了测试。现在我们把重点放在了第二代原型电池上，这种电池将在更大的电池中提供更高的能量密度。这反过来会使电池具有更好的性能和效率。”瓦格纳说道。

该项目还在研究电池本身的结构——换句话说，就是电极是如何构成的，以及电池是如何组装的，这将提高能量密度和充电容量。“能量密度提高的一个影响是电池可能会过热，所以我们需要确保电池结构不会让热量在内部积聚。”瓦格纳说道。

粘合剂和分隔层能够帮助电池自我保护和自我修复，这反过来有助于延长其使用寿命。为了将“三明治”结构固定在一起，研究人员还使用了特殊的粘合剂和分隔层。这些部件并非被动的辅助品，而是能够沿途主动修复轻微损伤的成分。粘合剂有助于维持电极结构，而分隔层则确保电极在物理上相互分离，从而防止短路。

这种新型电池具有自我修复功能，可延长其使用寿命。图片来源：SINTEF

为了更好地了解电池单元的性能，研究人员采用了先进的分析方法和建模技术。这为如何改进电池设计提供了有用的答案。

通过使用极快的筛选方法和建模工具，他们探索各种可能性，寻找最环保的解决方案，包括在数字仿真世界中测试电池。借助SINTEF开发的软件工具，研究人员可以测试电池的性能表现。这样他们就能节省时间，并确信这项技术能正常运行。

在 IntelLiGent 项目中所发生的工作，是与整个价值链中的重要参与者（从制造商到供应商再到终端用户）合作进行的，其目标是获得最佳的“电池配方”。

该项目如何将新的创新成果推向世界，并惠及广大消费者的呢？

该项目团队已经制定了一份详细的计划，阐明了如何将这项技术推向市场。他们目前正在努力扩大电极的生产规模，并使其投入大规模运行，并对生产流程和测试方案进行优化。此外，他们还将生产一个演示模型，以检验电池的性能是否达到应有的水平，以及其是否安全耐用。

瓦格纳表示：“我们正在评估环境、经济和社会方面的后果，并将新技术与现有解决方案进行比较。”

据SINTEF研究人员称，这个欧盟项目为更绿色的汽车未来铺平了道路，其带来的电池不仅更强大、更高效，而且对地球的危害更小。“这些电池将使您无需再次补能的情况下，行驶更远的距离，并且充电速度也会更快。作为个人，您还将为较小的碳足迹做出了贡献。” 瓦格纳说道。