撰文/ 錢亞光

設計/ 趙昊然

來源/ www.sintef.no, insideevs.com, interestingengineering.com

對于動力電池制造商而言，目標始終如一：更高的能量密度、更快的充電速度、更高的成本效益以及更好的安全性。但實現這些目標的方式一直在不斷變化。如今，研究人員找到了實現這一目標的新“配方”。

想象一下，你正開著一輛全新的電動汽車行駛在高速公路上，一路疾馳，而充電站卻寥寥無幾。續航里程焦慮的記憶涌上心頭，但隨后你意識到，你駕駛的這輛電動汽車配備了全新的電池組，其研發正是為了能夠實現長距離行駛且無需頻繁充電。而當你需要停車充電時，充電所需的時間也大大縮短，讓你可以放松心情、充滿信心地繼續前行。

研究項目負責人尼爾斯·彼得·瓦格納在 SINTEF 的實驗室中。照片來源：Silje Grytli Tveten

尼爾斯·彼得·瓦格納（Nils Peter Wagner）是歐洲最大的獨立研究機構之一——挪威科學和工業研究基金會（Stiftelsen for industriell og teknisk forskning，SINTEF）的一名資深研究科學家，他負責協調歐盟智能電池項目IntelLiGent中的相關工作。瓦格納表示，該項目的研究人員已經對先進的材料和組件進行了試驗，以改進電池性能。

“從很多方面來講，可以說我們通過選擇一些最優質、成本最低且對環境危害最小的原材料，為未來的電池技術創造了一種‘配方’。我們對電池單元的每一個細節都進行了研究。”瓦格納說道。

SINTEF是一個非營利性研究基金會，成立于1950年，在80個國家擁有2200名工作人員，其中71%是研究人員，60%擁有博士學位。它通過與挪威科技大學（Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet，NTNU）合作，開展自然科學、技術（包括建筑和土木工程）以及健康和社會科學方面的研究。

瓦格納手里的可不是兩個筆記本，而是新電池單元的樣本。圖片來源：Silje Grytli Tveten

超級能力與秘密成分

如果把電池想象成一個三明治，在頂部我們會發現一個陰極。陰極使用的是 IntelGent 開發的新材料 LNMO，其全稱為鋰鎳錳氧化物。這種材料不含鈷，且鋰和鎳的含量低于當今電池所使用的材料。

這是一種被定義為關鍵原材料的材料，讓該項目開發的電池替代組件具有更低的碳足跡。“LNMO 陰極材料能提供穩定的高平均電壓，不會失效。它還有高能量密度，這意味著它能在更小的體積內產生更多的能量，從而使電池的續航里程更長，”瓦格納說道。

電池的組成部分。圖片來源：SINTEF

挑戰在于這種材料存在一些“成長中的煩惱”，導致電池使用壽命縮短。據研究人員介紹，他們已經通過開發新一代LNMO陰極材料來改善了這一狀況，這種材料能提供更好的電池性能和容量。

關鍵問題已經解決

“這些節能、高容量的陽極在提升電池性能方面起著至關重要的作用。然而，硅陽極在充放電過程中會顯著膨脹，這可能導致材料分解。我們通過利用石墨的穩定性解決了這個問題，從而使電池具有最佳的耐用性和使用壽命。”瓦格納說道。

電池陽極由硅和石墨組成的復合材料制成。硅能夠吸收更多的鋰離子，從而提供更多的能量，而石墨則能提供強度和穩定性，使電池使用壽命更長。IntelLiGent 的硅-石墨復合材料由挪威的 Vianode 生產，他們能夠生產出排放更低、資源消耗更少的材料。

從很多方面來看，這種電池通過選擇一些最優質、最經濟實惠且對環境危害最小的原材料，為未來電池技術創造了一種“配方”。

研究團隊還在研發一種特殊的電解液，用于保護電池中的陽極和陰極。這使得電池更加穩定，使用壽命更長。

“我們最近完成了電解液的開發，并在第一代原型電池中進行了測試。現在我們把重點放在了第二代原型電池上，這種電池將在更大的電池中提供更高的能量密度。這反過來會使電池具有更好的性能和效率。”瓦格納說道。

超級膠水修復細小損傷

該項目還在研究電池本身的結構——換句話說，就是電極是如何構成的，以及電池是如何組裝的，這將提高能量密度和充電容量。“能量密度提高的一個影響是電池可能會過熱，所以我們需要確保電池結構不會讓熱量在內部積聚。”瓦格納說道。

粘合劑和分隔層能夠幫助電池自我保護和自我修復，這反過來有助于延長其使用壽命。為了將“三明治”結構固定在一起，研究人員還使用了特殊的粘合劑和分隔層。這些部件并非被動的輔助品，而是能夠沿途主動修復輕微損傷的成分。粘合劑有助于維持電極結構，而分隔層則確保電極在物理上相互分離，從而防止短路。

這種新型電池具有自我修復功能，可延長其使用壽命。圖片來源：SINTEF

為了更好地了解電池單元的性能，研究人員采用了先進的分析方法和建模技術。這為如何改進電池設計提供了有用的答案。

通過使用極快的篩選方法和建模工具，他們探索各種可能性，尋找最環保的解決方案，包括在數字仿真世界中測試電池。借助SINTEF開發的軟件工具，研究人員可以測試電池的性能表現。這樣他們就能節省時間，并確信這項技術能正常運行。

從實驗室走向市場

在 IntelLiGent 項目中所發生的工作，是與整個價值鏈中的重要參與者（從制造商到供應商再到終端用戶）合作進行的，其目標是獲得最佳的“電池配方”。

該項目如何將新的創新成果推向世界，并惠及廣大消費者的呢？

該項目團隊已經制定了一份詳細的計劃，闡明了如何將這項技術推向市場。他們目前正在努力擴大電極的生產規模，并使其投入大規模運行，并對生產流程和測試方案進行優化。此外，他們還將生產一個演示模型，以檢驗電池的性能是否達到應有的水平，以及其是否安全耐用。

瓦格納表示：“我們正在評估環境、經濟和社會方面的后果，并將新技術與現有解決方案進行比較。”

據SINTEF研究人員稱，這個歐盟項目為更綠色的汽車未來鋪平了道路，其帶來的電池不僅更強大、更高效，而且對地球的危害更小。“這些電池將使您無需再次補能的情況下，行駛更遠的距離，并且充電速度也會更快。作為個人，您還將為較小的碳足跡做出了貢獻。” 瓦格納說道。