盖世汽车讯 电极是电池的血管，负责收集和输送储能设备的生命线：电能。电池的功率和效率很大程度上取决于电极的性能。据外媒报道，由宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究人员领导的一个团队开发出新型电极设计，有望应用于移动电子产品和电动汽车等领域。

图片来源： 期刊《自然通讯》

该团队近期开发出一种高密度、厚实的电极，显著提高了电池的充电容量，同时增强了机械强度，使其能够承受反复充放电循环带来的性能衰减。通过采用一种新型的制造工艺来提升电极性能，该团队克服了通常与增加电极密度和厚度相关的缺点。该研究成果发表于期刊《自然通讯（Nature Communications）》。

据该项目首席研究员、工业与制造工程系助理教授Hongtao Sun介绍，提升电池性能的关键在于增加电极中活性物质（即储存能量并影响电池性能的成分）的含量。“传统上，活性物质仅占商用电池的30%到50%。”Hongtao Sun表示，“通过增加电极厚度，我们可以提高活性物质的总量，从而提升电池的总能量。”

Sun教授在宾夕法尼亚州立大学生物医学工程、材料科学与工程以及材料研究所均有任职经历。他解释说，增加电极厚度通常需要使电极结构具有很高的孔隙率——超过40%的空隙——以便电荷能够轻松移动。

然而，这种额外的孔隙率会减少活性物质的含量，进而降低电池的整体储能能力。虽然提高电极的密度似乎是提高功率的显而易见的解决方案，但Sun教授解释说，这种致密的结构会限制电荷传输，从而削弱电池的性能。

为了克服这一权衡，该研究团队在电极内部设计了合成边界，这些边界如同电荷的“储库”，能够使电荷快速穿过整个系统。利用这些边界，电极的厚度可以增加5到10倍，密度可以提高一倍，从而在有限的体积内显著提升能量密度。

Sun表示，最终研制出的电池在单体层面展现出超过500瓦时/千克的能量密度，这一能量水平有望大幅提升电动汽车的单次充电续航里程。

Sun教授表示，这种策略实现了重量、厚度、体积和容量之间的最佳平衡，从而制造出超越目前商用电极的电池级性能。“通过在电极中构建三维合成边界网络，我们可以在提高能量输出的同时增加密度和厚度，克服了目前商用电极的局限性。”Sun教授说道。

Sun教授的团队在致密化过程中使用了多种液体添加剂，将混合物压缩并逐渐加热至约120℃——这远低于传统致密化加热的温度（传统致密化加热温度可达1000℃）。这种低能耗的致密化工艺帮助团队在电极内部形成由特殊聚离子液体凝胶构成的合成边界。

Sun教授还解释说，除了性能提升之外，这种方法还能显著改善电极的机械性能。

Sun教授解释说：“与未添加液体添加剂的热压电极相比，我们成功地将电极的韧性提高了10倍，极限强度提高了3倍。”他指出，团队开发了数字成像相关技术，用于实时监测电池运行过程中电极的应变响应。

与复杂的基于同步辐射的技术不同，该方法使用标准实验室设备即可实现，成本低廉，为研究人员提供了一种可视化和研究电池衰减的实用方法。

Sun教授表示，电池电极会随着时间推移而磨损，这是由于反复充放电产生的动态应力造成的——这种损伤在手机等设备中尤为明显，因为手机电池几乎每天都要经历一次充电循环。通过提高电极的损伤容限，该团队研发的电池受充电循环的影响较小，从而大大延长了电池的有效使用寿命。

Sun教授还表示，该团队的电极制造技术成本低廉，可扩展至工业应用，并且与标准设备兼容。研究人员正致力于扩大电极制造规模以实现商业化，计划将该技术从每次只能组装少量电极的批量生产模式过渡到连续卷对卷生产模式。该系统将采用压力和温度可控的辊筒以及内置的质量控制工具，从而实现该团队改进型电极的大规模生产。