材料科学，正影响着电动汽车电池的开发

GlobalmarketInsights的一份报告显示，纯电动汽车市场已经持续多年大幅增长，预计2019至2025年间，年均增长率为16%。政府出台的有关增加使用替代燃料为汽车提供动力的扶持政策和法规，正推动市场不断发展。而政府持续着力于降低对传统燃料汽车的依赖、改善与环境污染相关的问题，也将推动该产业向前增长。同时，汽车产量的增加，加上基于传统燃料的公共交通手段的大量使用，进一步加剧了污染的程度。

由于研发项目增加以及汽车排放标准日趋严格，欧洲市场有望呈现出对纯电动汽车的强劲需求。便捷的充电基础设施、创新的电动客车技术，赋予电动客车潜在的增长前景。越来越多的消费者倾向于使用作为经济型交通手段的电动自行车，这也加速了地区需求。北美地区在严格的排放标准及相关法规的推动下，对纯电动汽车的需求也将出现大幅增长。有效的政府政策刺激了对公路运输车辆电气化的要求。此外，电池价格的下降趋势，使得电动汽车的拥有成本不断降低，进一步促进了电动汽车的利用。

随着零排放卡车和小汽车投放量的日益增加，亚太地区的纯电动汽车市场规模处于领先地位。该地区电池制造商的强劲表现，加上政府的支持性补贴和税收优惠，皆推动了该行业的增长。该地区对环保型交通工具日益增长的需求，导致重型卡车逐渐电气化。对减少碳足迹和提高空气质量的日益重视，为纯电动汽车带来了光明的前景。

随着对这类车辆需求的增加，电池生产领域的新突破可能预示着大功率电动汽车和其它交通工具的良好前景。

可充电电池的突破

伯克利实验室的研究人员致力于开材料科学，正影响着电动汽车电池的开发发可持续能源和环保解决方案，并创造有用的新材料。随着电动汽车需求的不断增长，伯克利与卡内基梅隆大学的研究人员合作开发了一种新型复合电解液。该电解液在大功率电动汽车和飞机上的应用前景广阔。研究人员对固态电池材料和装置进行了组装与表征。这种新的电池技术可以使电动垂直起降（eVTOL）飞机飞行，并为安全、长里程的电动汽车增压。

为了研制一种能让电动汽车（EV）单次充电即能续航数百英里的可充电电池，科学家们努力用锂金属阳极取代目前用于EV电池的石墨阳极。但是，尽管锂金属能延长电动汽车续航里程30-50%，由于锂枝晶的存在，即，在多次充放电循环过程中形成的树状缺陷，锂阳极电池的使用寿命会缩短。更糟的是，如果电池中的电池芯接触到阴极，枝晶会使其发生短路。

几十年来，研究人员一直认为坚硬的固体电解质，如陶瓷制成的电解质，最有希望阻止枝晶通过电池芯。但许多研究人员发现，这种方法的问题在于，它并没有一开始即能阻止枝晶的形成或“成核”，就像汽车挡风玻璃上的微小裂纹最终发生扩散一样。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）的研究人员与卡内基梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）合作，在NatureMaterials（《自然材料》）杂志上报道了一种新型软固体电解质。该电解质由聚合物和陶瓷制成，能在早期成核阶段，先于其扩散并导致电池故障之前抑制枝晶。这项技术是伯克利实验室在不同用户设施中进行多学科合作的一个实例，以发掘组装、表征和开发固态电池材料和设备的新思路。

固态储能技术，如使用固体电极和固体电解质的固态锂金属电池，可以提供高能量密度以及优异的安全性，但该技术必须克服不同的材料和工艺挑战。“我们的枝晶抑制技术可对电池行业产生令人振奋的影响，”文章的合著者、伯克利实验室分子铸造厂的科学家BrettHelms指出：“有了它，电池制造商可以生产更安全并兼具高能量密度和长循环寿命的锂金属电池。”他补充道，用这种新电解液制造的锂金属电池也可以用来为电动飞机提供动力。

伯克利实验室和卡内基梅隆大学的研究人员设 计了新型固体电解质，为更广泛的交通电气化铺平了道路（图片供稿：Jinsoo Kim）

设计这种新型软固体电解质的关键是使用具有固有微孔的软聚合物（PIM），其孔隙以纳米陶瓷颗粒填充。由于电解液仍然是一种柔软的固体材料，电池制造商有望制造成卷的锂箔，其中，电解液作为阳极和电池隔板之间的层压材料。这些锂电极组件（LESA）是富有吸引力的传统石墨阳极替代品，电池制造商使用现有装配线即可。

为了展示这种新型PIM复合电解液抑制枝晶的特性，Helms团队利用伯克利实验室先进光源的X射线来创建锂金属与电解液界面的3D图像，并在大电流下可视化锂的电镀和剥离长达16个小时。当存在新的PIM复合电解液时，观察到锂的连续平滑生长，反之，界面上则显示出枝晶生长的早期迹象。

这些以及其它数据证实了对锂金属电沉积这一新的物理模型的预测。该模型同时考虑了固体电解质的化学和机械特性。

“2017年，当传统观点认为需要硬电解质时，我们提出，利用软固体电解质，有望实现新的枝晶抑制机制。”合著者VenkatViswanathan说道。他是卡内基梅隆大学斯科特能源创新研究所（ScottInstituteforEnergyInnovation）的机械工程副教授兼教职研究人员，负责领导这项工作的理论研究。“用PIM复合物找到实现这种方法的材料真是令人惊叹。”

美国能源部高级研究计划（ARPA-E）下的离子技术项目——24MTechnologies的一名获奖者已经将这些材料集成到电动汽车（EV）和电动垂直起降飞机（eVTOL）的更大规格电池中。Helms博士说，“虽然EV和eVTOL对功率有独特的要求，但PIM复合固体电解质技术表现出多功能特性，且能够在高功率下工作。”

改进的EV电池设计

在2020年11月10至12日举行的北美&欧洲虚拟电池展及电动汽车技术数字日上，汉高在向业界彰显其材料科学如何帮助电动汽车电池设计师和汽车OEM制造商实现更高的安全性、效率、可承受性等目标的环节，展示了电动汽车电池的另一项发展。虽然兼顾安全要求、雄心勃勃的性能指标以及生产效率是电动汽车设计面临的重大挑战，但汉高透露了其广泛的技术组合和高超的工艺能力在引导各种EV设计和组件组装走向成功的秘诀。通过实际案例可以发现，重点领域包括热控制、耐用粘合剂和可维护密封材料。

热管理是电动汽车电池安全、高效运行和实现长寿命的基础。虽然热界面材料（TIM）的主要作用是散热，以优化运行工况并避免“热失控”，但高流速、轻量化等附加特性还分别实现了高产量和更高的续航里程。汉高提供了两种最新的液体TIM创新产品，特别是硅基Bergquist填缝剂TGF2200APS和无硅Bergquist填缝剂TGF3010APS，可满足多个目标：如，高达80cc/s的分配速度，以及高达3W/mK的强劲导热性，可以满足安全性和功能可靠性的要求。考虑到诸多因素，尤其是乘客安全，与可信赖的多解决方案合作伙伴的密切协商，有助于确保满足所有热管理和材料兼容性目标。

除了强大的热管理，电池组的完整性依赖于粘接材料的强度。能够承受恶劣环境和运行工况的压力，并能通过高速应用和快速固化能力获得成本下降的优势，是选择粘合剂的关键考虑因素。快速组装电动汽车电池组中所有元件，是电池成本稳步下降的关键。在过去十年中，电池成本下降了近十倍。与其它电力存储组合产品一样，汉高的电动汽车装配粘合剂同样有助于支持客户针对成本效益的诉求。最近，该公司与电池载体制造商科思创的合作取得了成功，其中，汉高的LoctiteAA3963按需固化粘合剂能够使电池芯5秒钟内固定，从而实现了大批量生产的规模经济。

由于电池系统约占电动汽车成本的50%，因此保护电池组不受污染有助于保护其价值。汉高在电池展上展示了便捷的电池维护与维修能力，可降低EV的使用寿命成本。该公司的LoctiteESB5100作为一种独特的防护密封剂创新产品，为市场带来了前所未有的应用灵活性。例如，衬垫材料可以将电池组盖固定到外壳上，同时也可以快速拆卸并重装，以便进行电池维修。

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作者：ALYSSABUENO