施加物理压力可使电动汽车电池寿命翻倍，并降低其环境负面影响

背景介绍
本文转载自剑桥大学官网，所介绍的电极堆压调控技术由剑桥大学迈克尔・德・沃尔德（Michael De Volder）教授担任联合负责人。
Michael De Volder 教授现任剑桥大学南京科创中心“基于先进的电极压缩堆压力控制技术有效延长电池的使用寿命”项目（简称“电池堆压项目”）负责人，牵头开展技术研发与成果转化工作，其团队在储能器件性能优化、寿命提升技术研发与产业化落地方面拥有深厚积累。

新研究表明，延长电动汽车电池使用寿命的关键，或许并非依托特殊材料或全新电化学体系，而是简单的物理加压手段。

电池使用寿命越长，材料回收频次就越低。而就目前来看，我们的电池回收技术还十分不成熟。——迈克尔·德·沃尔德

图：迈克尔·德·沃尔德（左）王恒（右）

剑桥大学团队开展研究，探究物理压力对锂离子电池使用寿命的作用，发现对电池持续施加恒定压力，可将其寿命提升一倍。

在电池研发领域，这样的性能提升幅度前所未有，以往调整电池材料配比，通常仅能实现5%至10%的寿命提升。延长电动汽车动力电池寿命，不仅能降低电池流入垃圾填埋场或进入回收处理环节的速率，还能缓解镍、钴等动力电池关键矿产开采带来的环境负担。

不过加压力度必须恰到好处，压力过高或过低，都会加速电池失效。研究团队自主研发了一套专用装置，可将电池压力稳定维持在“黄金区间”，且无需借助任何特殊化学手段。相关研究成果已刊载于《自然·能源》期刊。

（图片来源：《自然·能源》）

从基本原理来看，锂离子电池由负极、正极与电解液构成。电池每完成一次充放电循环，锂离子便会在正负极之间来回迁移，电池本体也会随之发生膨胀、收缩，如同呼吸一般。

本次研究联合负责人、来自剑桥大学工程系的迈克尔·德·沃尔德教授解释道：“电池本身并不适应这种反复受压、释压的循环过程。业内绝大多数锂离子电池改良工作都由化学、物理领域学者完成，而我作为机械工程学者，希望深入探究力学因素能发挥的作用。”

为开展相关实验，德·沃尔德团队搭建了一套设备，通过气动波纹管（即内置空气的柔性缓冲装置，作用类似自适应夹具）对软包电芯施加压力。波纹管能够持续输出恒定压力，配套传感器可实时捕捉电池充放电过程中极其微小的体积形变。

德·沃尔德介绍：“我们直接采购商用成品电池，在不同压力条件下测试其循环寿命，全程没有改动电池的电解液、电极材料任何组分。”

研究发现，波纹管施加的压力须处于“黄金区间”：约为12.5巴，大致相当于传统纽扣电池标准压力的四倍。一旦偏离该区间，电池衰减速度会显著加快。压力过大会导致负极表面形成锂镀层，压力不足则会造成正极开裂破损。

“我们发现，若能在电池完整充放电循环中保持压力稳定，电池整体使用寿命会大幅提升。”德·沃尔德补充道，“加压过重，负极会出现损耗；加压不足，正极则开始老化。我们通过实验找到了适配电池的最优压力区间。”

目前该研究仍处于早期阶段，但对规模持续扩张的电动汽车市场、尤其是二手新能源车市场具备重要参考价值。“电池使用寿命越长，材料回收频次就越低。而就目前来看，我们的电池回收技术还十分不成熟。”德·沃尔德说道。

除此之外，长寿命动力电池还能减少动力电池生产所需开采的原材料总量，这类矿产开采往往伴随着恶劣的作业环境。德·沃尔德说：“我们研发电动汽车，初衷是打造更清洁的出行方案，但不能因此在全球其他地区引发新的生态灾难。若这项技术能适度缓解矿产开采压力，也将是一大核心利好。”

目前该技术已在实验室规模下完成测试，但若要用于商业电池应用，仍需进一步规模化验证。剑桥大学创新转化机构剑桥企业（Cambridge Enterprise）已就此提交专利申请。

本研究获得欧洲研究委员会、法拉第研究院、英国研究与创新署（UKRI）下属工程与物理科学研究委员会（EPSRC）的联合资助。迈克尔·德·沃尔德为剑桥大学圣约翰学院（John’s College）院士。