充电5分钟,续航800公里,或将在2025年实现,使用新型纳米碳电极或是缩短电动汽车充电时间的关键
2021-04-23 12:32:06续航 / 汽车 / 电池
SAE International

国际自动机工程师学会

作者:Stuart Birch

来源:SAE《汽车工程》杂志



使用新型纳米碳电极或是缩短电动汽车充电时间的关键。

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NAWA 认为,公司的纳米结构电极将为电动汽车电池带来阶跃性进展。(图片来源:NAWA)

最近,法国纳米材料初创公司 NAWA Technologies 声称已经开发出一种技术,可以显着提高电动汽车电池的储能效率。根据公司创始人兼首席技术官 Pascal Boulanger 的说法,NAWA 的 UFCE 超快充碳电极可以将电动汽车电池的充电时间缩短至与汽油汽车加油差不多的水平,并同时将电池寿命最高提升 5 倍。

在接受 SAE International 采访时,Pascal Boulanger 表示,UFCE 电极技术可以将市面上主流电动汽车的续航里程增加至 1,000 公里(620 英里),并实现 5 分钟内充电80% 的超高速充电。他指出,“UFCE 电极的独特之处在于采用了 3D 结构的 VACNT 垂直对齐碳纳米管。 每个碳纳米管实质上都是一个卷成圆柱型的石墨烯片。这些纳米管的直径相较于其长度而言非常细,其比例相当于一根长约 1 公里的意大利面。而 UFCE 电极正是由数百万亿根这样的碳纳米管组成的!”Boulanger 表示,UFCE 电极适用于各类先进电池化学技术。

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NAWA Technologies 公司创始人 Pascal Boulanger 坚信,公司将提供一种极具性价比的解决方案,显著提升电动汽车的实用性。(图片来源:NAWA)

实现“最高”离子电导率

Boulanger 解释说,目前锂基电池的性能主要受电极设计和电池材料的限制。目前,粉末电极的导电性和导热性均较差,充放电间的力学性能也不高,并且可能面临安全和使用寿命有限等问题。

Boulanger 表示,当下电极材料的微结构决定了其中的离子难以四处自由移动,因此电导率较低。UFCE 电极采用的专利 VACNT 碳纳米管,凭借 3D 结构可以取得“最高”的离子电导率,而且又借助纳米管的超长长度同时获得非常好的导电性和导热性。Boulanger 说,这些特性可以解决电池热失控的问题。

从力学上看,VACNT 纳米管可以像“笼子”可以减少电极的体积膨胀,从而使其能够在比粉末电极更小的“应力”下工作:“简单地说,这意味着离子仅需移动几纳米即可穿过圆柱形的立体电极材料,但如果电极材料是平面的,则离子则可能需要移动几微米。”Boulanger 表示,新结构“从根本上提高了电池的充电和放电速率”。此前,NAWA公司还曾发布过“下一代超级电容器”(名为超快充碳电池)产品。公司称,这款超级电容器拥有超高的充放电速度,且取得了“市面上最低的电气串联电阻值。”

Boulanger 表示,NAWA 的电极技术可以帮助锂基电池实现性能优化: 电池功率提高 10 倍、能量存储最高提升 3 倍、电池寿命周期最高提升 5 倍,而且充电时间从几小时缩短到仅几分钟。“通常情况下,任何技术都有优劣势,因此总要有所取舍,比如粉末电极的情况就是这样。”Boulanger指出,“你要增加能量存储,就要降低功率;汽车要跑得更快,就要更多消耗电池。不过,还有一些电池技术绝对是被低估了。”

目前,大多数电动车车主已经发现,电动汽车开的时间越长,车辆的电池就越不经用。与汽油发动机不同,电动汽车的电池损耗不是线性下降的。Boulanger 说,“我们的技术也是如此 – 然而,由于我们的功率和储能水平都更高,这意味着您将获得更多富余,因此无论电量如何,电池‘过度放电’的情况都将很少发生。”NAWA 公司研发合作伙伴(包括法国电池巨头 SAFT)的初步结果表明,先进锂离子电池使用 UFCE 电极可以将储能量最少增加一倍。Boulanger 说,“因此,电动汽车将拥有更多能量,可以跑得更快,同时也跑得更远。”

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3D 垂直结构的电动汽车电池电极。(图片来源:NAWA)

碳纳米材料的协同效应

Boulanger 说,NAWA 公司的 3D 碳纳米材料电极经过专门设计,非常易于制造。VACNT 碳纳米管的制造工艺与光伏板或工业玻璃生产“非常相似”。Boulanger 声称,碳纳米管的生产“并不昂贵”:生产设备已过验证,产量和良率均大大提高,成本可以控制得很低。Boulanger 说,“ 我们预测,生产一平方米碳纳米管的成本与生产同等面积的涂层应该差不多,但所需的天然材料和可持续碳源材料更少。不过,单位平方米碳纳米管可以存储的能量更多,因此如果按照单位瓦时成本来说,碳纳米管应该更便宜。”

Boulanger 也意识到 UFCE 电极的商业化可能面临一些障碍。“我们有很多种方式可以将 3D 电极概念推入市场,”他说。最简单的方法是在铜基板上刷一层非常薄的 VACNT 碳纳米管,从而与目前已经在电池行业投用的碳涂层铜基板竞争。Boulanger说,通过这种方法生产的电极材料具有更好的电性能和锚固性,并且 已经可以在 2021 年实现小批量生产。从长远来看,真正的 3D 结构 UFCE 电极“可能会在 2023 年初小批量上市,并在 2025 年实现量产。”

NAWA 公司的 UFCE 电极也有潜力应用至氢燃料电池系统,可以使用 NAWA 公司的 NAWACap 超级电容器回收本来会被浪费掉的能量。Boulanger 表示,UFCE 电极也可以作为燃料电池的膜电极。“事实证明,NACNT 使用的贵金属铂更少”,因此可以节省成本。此外,NAWA 集团另一个事业部还在开发各种创新材料,使用这些材料制作的氢碳复合储罐的重量更轻、强度更高。

NAWA美国公司位于美国俄亥俄州 Dayton 市,专注于多功能超强复合材料的商业化。公司的 NAWAStitch 概念采用了一层内含数万亿个与碳纤维层垂直排列的 VACNT 碳纳米管薄膜。Boulanger 表示,这层薄膜就像是一个“纳米尼龙搭扣”,可以增强复合材料中连接最薄弱的环节,即层与层之间的接触面,因此可以大大提高材料抵抗剪切和冲击载荷的能力。

除了 3D-UFCE 和 NAWAStitch,NAWA 公司还有另外一项创新:NAWAShell。这是一种采用 VACNT 碳纳米管的混合结构电池。由于采用了复合结构,这种电池的力学强度和电能存储性能均得到优化。Boulanger 认为,未来“NAWAStitch 和 NAWAShell 的结合使用将发挥巨大潜力,创造可以储存能量的多功能轻质坚固材料,比如可以使用这种材料制造车辆的太阳能板车顶,帮助车辆储存更多能量,而且几乎不会增加车辆重量。”

国内光刻第一股来了!;

集微网报道,科创板自设立以来,就得到了中芯国际、沪硅产业、安集科技等众多优秀的半导体企业的青睐,这些企业无不是拥有业内领先的半导体技术,投资者也愿意给予这些高成长企业更高的估值。

同样,在目前正冲刺科创板上市的数百家企业中,也不乏拥有核心技术,并打破国外垄断成功实现进口替代的明星企业,芯碁微装便是其中之一。

芯碁微装是专业的光刻设备供应商,专注服务于电子信息产业中PCB领域及泛半导体领域的客户,为客户提供直接成像设备、直写光刻设备以及相应的维保服务。经过多年的深耕与积累,芯碁微装累计服务近70家客户,包括深南电路、健鼎科技、胜宏科技、景旺电子、维信诺、中电科、佛智芯、沃格光电、矽迈微电子、中国科学院半导体研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国电子科技集团公司第十一研究所等知名企业和研究机构。

芯碁微装拟将IPO募集资金用于高端PCB激光直接成像(LDI)设备升级迭代项目、晶圆级封装(WLP)直写光刻设备产业化项目、平板显示(FPD)光刻设备研发项目和微纳制造技术研发中心建设项目。通过上述项目的实施,公司将进一步满足下游不断发展的光刻设备应用需求,为公司未来业绩的增长和业务发展打下坚实的基础。

4月1日,芯碁微装成功登陆科创板,成为“国产光刻设备第一股”。

3月31日晚,芯碁微装举行了首次发行上市答谢酒会,政府领导、证券机构、行业客户等各界朋友等近三百位嘉宾出席芯碁微装上市答谢酒会,一起分享芯碁微装上市的喜悦,并纷纷预祝芯碁微装成功上市。

国家IC大基金总裁丁文武致辞

中国科学院集成电路创新研究所院长叶甜春致辞

国家IC大基金总裁丁文武、中国科学院集成电路创新研究所院长/国家02专项总设计师叶甜春分别上台讲话表达了对芯碁微装上市的热烈祝贺。

图示:左一芯碁微装董事长程卓,左二合肥市委副书记罗云峰,右二华登国际合伙人黄庆,右一华登国际合伙人彭桂娥博士

政策+市场双轮驱动,业绩爆发毛利率上升

众所周知,以光刻设备为代表的高端装备制造业是半导体产业的“硬伤”之一。目前,我国高端PCB制造及泛半导体产业所需的高端设备主要依赖进口。此外,高端光刻设备被列入《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》,属于出口管制的范围。

为打破国外企业的技术封锁和垄断,推动国产光刻设备产业的发展,我国政府出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》等一系列产业政策,助力我国光刻设备产业技术水平的提高,也为企业创造了良好的经营环境。

同时,泛半导体行业处于高景气周期,叠加“国产替代”逻辑,以泛半导体为代表的科技股成为近年来A股市场的领涨主力,而泛半导体设备行业更是A股市场的“当红辣子鸡”,这对于主要生产高端泛半导体设备的企业在二级市场上构成利好。

芯碁微装主要产品及服务包括PCB直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统、其他激光直接成像设备以及上述产品的售后维保服务,实现了PCB领域和泛半导体领域的国产替代,是国内泛半导体领域唯一能与国外对标的光刻设备企业之一。

近年来,芯碁微装的业绩呈现出快速增长的趋势,基本面强劲。2017年至2019年,公司营业收入分别为2218.04万元、8729.53万元和20226.12万元,年复合增速达到201.98%;净利润分别为-684.67万元、1729.27万元和4762.51万元。2020年公司实现营业收入31008.76万元,净利润7103.89万元,当年增长率超过50%。

与此同时,芯碁微装所处PCB直接成像设备及泛半导体直写光刻设备制造行业具有较高的技术壁垒,公司综合毛利率整体也处于上升通道,由2017年的37.05%上涨至2020年上半年的48.32%。

持续加码技术创新,掌握关键核心技术

近年来,随着人工智能、大数据、云计算、物联网等技术的蓬勃发展,下游终端产品迎来创新潮,带动PCB产品全面升级,同时消费电子、汽车电子、5G等产品销量的爆发式增长,也给泛半导体产业带来了巨额需求。

目前,我国正在承接高端PCB、半导体、显示面板等产业转移,国内厂商纷纷开启新一轮扩产,在自主可控的国家战略任务影响下,以芯碁微装为代表的具备核心技术优势的上游设备企业将有望受益市场需求的持续爆发,并获得较为领先的市场份额。

芯碁微装深知,技术创新是公司保持竞争优势的关键。自成立以来,公司始终坚持在直写光刻设备领域的创新,持续加大研发投入。2017年至2019年,其研发投入分别为791.80万元、1698.10万元和2854.95万元,年均复合增长率达89.88%。这为公司形成体系化的技术升级能力和打造不断深化的技术创新优势提供了重要保障。

持续的技术研发投入也为公司积累了大量技术成果,截至2020年6月末,芯碁微装已获得71项国家专利授权,其中发明24项,实用新型44项,并拥有13项软件著作权。

同时,芯碁微装已掌握直写光刻设备关键系统模块的自主研发能力,形成了系统集成技术、光刻紫外光学及光源技术、高精度高速实时自动对焦技术、高精度高速对准多层套刻技术、高精度多轴高速大行程精密驱动控制技术、高可靠高稳定性及ECC技术、高速实时高精度图形处理技术等一系列直写光刻关键技术。

此外,芯碁微装还承担了一系列国家级、省级重大科研项目,正在推进晶圆级封装光刻设备、IC 载板曝光设备等多个研发的项目,并与安徽大学、中国科技大学、中科院等多所高校、企业、科研机构所建立了多层次、多方位的技术合作关系,为公司持续科技创新以及未来发展提供强劲动力。

打破依赖进口格局,成为国产设备中坚力量

在泛半导体领域,芯碁微装抓住了国内集成电路及平板显示产业快速发展的机遇,通过自主研发推出了适用于500nm及以上线宽的掩膜版制版光刻设备及IC制造直写光刻设备,可应用于下游IC掩膜版制版以及IC芯片制造、MEMS、OLED显示面板制造过程中的光刻工艺环节,成功实现了在制版领域\科研院所、产线试验及少量多品种等应用场景下的市场销售,实现进口替代,打破我国在该领域内长期高度依赖进口的局面。

此外,在半导体直写光刻设备的技术基础上,于2018年推出首条国产OLED显示面板直写光刻自动线系统(LDW-D1),线宽精度达0.7um,属于世界领先水平,并且成功通过了下游显示面板客户的产线验证。为进入高世代线显示面板制造领域及高精度芯片制造领域打下了坚实的基础。

随着全球泛半导体产业进入新一轮扩产周期,在供应链自主可控的趋势下,国产泛半导体设备厂商将会迎来爆发新契机。而作为即将登陆A股的泛半导体设备厂商——芯碁微装有望借助资本市场的力量加大研发投入,实现高质量发展,成为国产泛半导体设备厂商的中坚力量。

(校对/GY)

集微网

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