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《下一代阳极将改善锂离子电池》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2016-08-09

  • 加利福尼亚大学的研究人员已经创造了一个新的硅锡纳米复合材料的阳极，它可以使锂离子电池有更多的时间充电和放电，就是在到达它们有用的生命周期结束之前。持续时间较长的电池可用于从手持电子设备到电动汽车的一切。

    标题为“锡纳米粒子作为一种有效的导电添加在了硅的阳极”的一篇描述研究的报告在星期三（8月3日）发表在科学报告上。该项目是由一个在加州大学河滨分校伯恩斯工程学院机械工程和材料科学与工程学院副教授Lorenzo Mangolini所领导的。

    硅和锡已被研究作为一种用于石墨阳极的新的高性能的替代品。在目前的研究中，Mangolini团队首次显示了将两种材料结合成一个单一的复合材料会导致电池性能的改善。除了石墨提供的三倍充电容量之外，硅锡复合材料在许多次充放电循环中是非常稳定的，在本质上延长了寿命。这些功能，再加上一个简单的制造过程，有助于扩大在下一代车辆使用的锂离子电池量。

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  • 《如何利用先进材料提高下一代EV电池的效率》
    • 来源专题：工程机械与高端装备
    • 编译者：Hazel
    • 发布时间：2025-05-07
    • 随着电动汽车需求激增，对高效可靠电池技术的需求日益迫切。先进材料将成为突破下一代动力电池性能瓶颈的核心钥匙，工程师需通过以下战略布局引领电动出行革命。 电动汽车电池面临的挑战 由于多种因素，电动汽车市场目前在电池设计方面面临巨大压力。一个主要问题是采购原材料，例如锂、钴、镍和石墨。这些物品对于当今EV电池的功能至关重要，但它们的需求正在飙升。研究人员预测，到2050年，需求将增长26倍，其中钴增长6倍，镍增长12倍，石墨增长9倍。由于全球努力实现交通脱碳，从而加剧了资源争夺，供应链紧张导致成本飙升。 另一个挑战是温度对电池性能和使用寿命的影响。高温会加速电动汽车电池内的化学反应速度，导致热失控和锂镀等问题。这些情况会降低电池质量，损坏电池保护层并减少活性锂的数量。 最后，在不影响安全性或使用寿命的情况下实现更高的能量密度仍然是一个持续的挑战。当前的设计通常需要权衡。例如，增加能量密度会降低热稳定性，使电池更容易过热或退化。这种平衡行为使材料选择和电池架构复杂化。因此，电动汽车市场对能够在各个方面提供的创新解决方案有更大的需求。 电动汽车电池中的先进材料 性能、安全性和可持续性方面的最新发展极大地改进了EV电池。一些关键创新包括以下内容： 1.硅基阳极 工程师越来越多地将硅基阳极集成到锂离子电池中，以提高能量密度。与石墨阳极相比，硅具有更高的锂存储容量，可能会增加电池续航里程。然而，循环期间的体积膨胀需要纳米级工程和复合材料等解决方案来保持结构完整性。 2.固态电解质 这些材料作为液体电解质的更安全替代品而受到关注。它们通过消除易燃组件来降低热失控的风险。此外，它们还支持使用锂金属阳极，从而提高能量密度。固态电池还可以在10分钟内充电，并在80次充电循环后保持6,000%的容量。目前的研究重点是提高离子电导率和扩大生产以实现商业可行性。 3.高镍阴极 高镍阴极提高了能量密度，同时减少了对钴的依赖，钴是一种昂贵且存在争议的材料。它们提高了电池续航里程和功率输出。然而，它们对降解和热不稳定性的敏感性带来了一些问题，先进的涂层和掺杂技术可能会解决。 4.硫化物固态材料 硫化物固态材料是下一代固态电池的有前途的组件。它们具有出色的离子电导率和柔韧性，使其适用于大规模应用。它们与高容量阳极兼容，进一步提高了它们彻底改变EV电池设计的潜力。 5.石墨烯与碳纳米管 石墨烯和碳纳米管可以提高电池的导电性和耐用性。这些材料有助于加快充放电循环并提高机械稳定性，尤其是在高能量密度电池中。研究这些材料的可扩展制造工艺对于提高采用率至关重要。 在EV电池中利用先进材料的策略 利用先进材料可能会带来成本、可持续性和可扩展性方面的挑战。以下方法有助于克服问题，同时提高性能和效率： 1.采用纳米技术和2D材料 纳米技术和2D材料使工程师能够实现更高的性能，同时最大限度地减少重量和成本。例如，石墨烯的导电性和机械强度改善了电池内的电子流动。虽然这种2D材料提高了充电速度，但它减少了运行过程中的能量损失。将这种材料加入电池电极，设计人员可以在不牺牲性能的情况下实现更轻、更高效的设计。 2.根据应用需求优化材料选择 设计下一代电动汽车电池需要了解特定的性能需求，例如能量密度、安全性、充电速度或成本效益。然后，工程师选择与这些目标相关的材料，以最大限度地提高电池性能，同时应对挑战。例如，芝加哥大学的研究人员使用碳纳米管复合材料开发了一种锂硫电池，以克服硫在充电循环过程中降解的趋势。结果是原型的能量密度是传统锂离子电池的三倍 。如果工程师想要实现卓越的性能和更长的电池寿命，他们可以考虑这种类型的创新。 3.尝试新的制造技术 3D打印等新的制造方法可以改进电池生产流程并创造尖端设计。3D打印可以更精确地制造电池组件，实现优化材料使用和能量密度的复杂设计。借助3D打印，设计师可以创建具有可定制形状和结构的电极，从而确保更好的离子流和更高的性能。例如，印刷的多孔电极为反应提供了更大的表面积，从而提高了充电速率和整体电池容量。 4.数字孪生与预测建模降低原型开发成本 先进的原型技术为降低研发成本、加速动力电池开发提供了创新路径。工程师可利用数字孪生技术构建电池系统的虚拟镜像，模拟不同工况下的性能表现。这项突破性技术既能实现设计的快速迭代优化，又能减少材料浪费与制造成本。通过实时仿真，研发团队可在早期阶段识别潜在问题，确保更顺畅的产业化过渡。 预测性人工智能（AI）物理模型进一步强化了这一流程：基于机器学习算法分析材料相互作用，预测电池长期演变规律。该系统不仅能定位性能薄弱环节，更能为材料优化提供数据洞见，最终实现效率最大化。 5.使用轻量化材料提升能效 轻量化材料对于提高能效、延长续航和提升整体性能至关重要。以长纤维热塑性塑料（LFTs）为例，其材料密度较金属减轻40%，有效降低电池包重量，从而提升能源效率并扩展车辆续航里程。LFTs特别适用于替代电池外壳和支撑结构中的重金属部件。这类材料不仅能增强设计灵活性，还具备优异的抗冲击性能，完全满足电动汽车严苛的应用要求。此外，改用热塑性材料可显著降低生产和运输成本，助力制造商打造更高能效、更具成本优势的电动车型，以应对市场对高性能车辆日益增长的需求。 电动汽车电池设计的创新突破 采用先进材料是推动下一代电动汽车性能跃升的必由之路。这不仅能够满足电动汽车市场快速增长的需求，更能提供更安全、高效且环保的电池解决方案。随着行业不断发展，工程师需要持续突破技术边界。当下对这些先进技术的投入，将为构建更清洁、更电气化的未来奠定坚实基础。
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  • 《Gelion和Ionblox合作开发下一代锂-硅-硫电池》
    • 来源专题：工业强基
    • 编译者：张欣
    • 发布时间：2024-07-05
    • 电池制造商Gelion Plc表示，已与总部位于加州的电池技术公司Ionblox Inc签署了一项联合开发协议，以开发下一代锂硅硫(LiSiS)电池，目标是电动垂直起降(eVTOL)和全球电动汽车市场。   作为JDA的一部分，Gelion将通过整合知识产权组合，专注于硫阴极的优化。同时，Ionblox将提供其高能量密度预锂化氧化硅阳极，并优化其与Gelions硫阴极的使用。两家公司将在各自位于澳大利亚和美国的研发中心共同开发LiSiS电池。   Gelion首席执行官John Wood表示：“通过与Ionblox合作，我们将共同为全球电动汽车和电动飞机市场开发下一代硅硫电池。”   Gelion通过将其研发和知识产权与今年早些时候从庄信万丰收购的广泛知识产权和专业知识相结合，一直引领着锂硫电池的发展，并且一直在开发与包括硅在内的各种阳极集成的硫阴极。Gelion还收购了总部位于英国的锂硫创新公司OXLiD Ltd，这进一步帮助公司进行了关键的阴极改进，获得了新的知识产权，并扩大了其团队的专业知识。   Ionblox联合创始人兼首席执行官Sujeet Kumar表示：“Ionblox相信，硫的潜力可以生产出性能更高、更便宜、更安全的电池，为现有合作伙伴提供更多价值，并开启新的应用。”   Gelion和Ionblox将共同致力于开发高性能的下一代锂离子电池，与传统锂离子电池相比，这种电池具有以下几个优势：   与传统锂离子电池相比，Gelion和Ionblox JDA声称锂硅硫(LiSiS)电池具有以下优势：   1、高达两倍的能量密度~400Wh/Kg，增加了电动汽车的充电间隔，从而减少了里程焦虑。   2、重量更轻的电池降低了电动汽车悬架、制动和轮胎等关键部件的制造成本。   3、电池安全性的显著提高，由于硅硫材料热事件的内在减少，大大降低了火灾和爆炸的风险。   4、大幅降低电池的材料成本，估计可达35%，从而进一步降低电动汽车的成本，以更好地促进大众市场的接受；与现有技术相比，LiSiS电池的碳生命周期缩短了30%以上，为电动汽车提供了更可持续的大规模生产。   在完成锂硅硫(LiSiS)电池的开发后，两家公司将共同完成将电池推向全球市场的商业安排。  
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