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。”
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
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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。
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