研究人員正開發讓電動汽車電池快速檢測損壞并自我修復的技術

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據《Horizon: The EU Research & Innovation Magazine》消息，為了使電動汽車電池性能更好、使用壽命更長，歐盟研究人員正在開發一種能夠讓電池快速檢測損壞并自我修復的技術。

電池是電動汽車(EV)大規模普及道路上最大的障礙之一。但如果它們不僅能延長使用壽命，還能自我修復，那會怎樣？這正是Johannes Ziegler和Liu Sufu等研究人員的愿景，他們正致力于將這一愿景變為現實。

歐洲的電動汽車銷量正在飆升，2月份的銷量與2024年同期相比增長了20%。電動汽車對于電氣化我們的交通和減少破壞地球的碳排放至關重要，但它們的發展之路并非沒有挑戰。

大多數電動汽車依賴鋰離子電池，類似于我們手機中的電池，但體積更大、結構更復雜。一塊電動汽車電池含有數十公斤的貴金屬——鋰、鎳和銅——并且必須使用十多年，與電動汽車的預期壽命相匹配。

為了應對這一挑戰，一個由歐盟資助的名為“PHOENIX”的科研團隊聚集在一起，致力于研發可自愈的電池。他們的目標是延長電池壽命，提高電池安全性，并減少對新型電池金屬的需求。

德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所(ISC)的材料科學家Ziegler表示：“我們的想法是延長電池壽命并減少其碳足跡，因為同一塊電池可以自我修復，從而總體上減少所需的資源。”

2023年，歐盟確定34種關鍵材料，包括鋰、鎳、銅和鈷等電池金屬。

PHOENIX項目以神話中從灰燼中重生的鳥命名——這是研究人員希望在電池技術上實現重生和復興的恰當象征。

歐盟立法要求，從2035年起，所有新售的轎車和貨車都必須實現零排放。其目標是大幅減少交通運輸行業的溫室氣體排放。

為了實現這一目標，電動汽車需要更好的電池。

感知和觸發

任何擁有智能手機的人都深知電池帶來的煩惱：幾年后，電池壽命就會急劇下降。同樣的問題也困擾著電動汽車，只是規模更大。

發生這種情況是因為電池隨著時間的推移反復充電和放電，其部分性能會下降。

來自比利時、德國、意大利、西班牙和瑞士的科學家正在合作設計傳感器，以檢測鋰離子電池老化過程中發生的變化，并在需要時觸發電池的自我修復。

目標是使電池壽命延長一倍，進而延長電動汽車的壽命。

如今，電池管理系統(BMS)（電池的大腦）監控電池的電壓和溫度，以確保其不會過熱并導致安全問題。

“目前，傳感器的測量范圍非常有限，僅限于一般的溫度、電壓和電流。除了估算剩余電量外，它還能確保安全，”瑞士電子與微技術中心（CSEM）的工程師Yves Stauffer說道。CSEM是一家開發顛覆性技術的創新中心。Stauffer領導著BMS的研究。

PHOENIX團隊的目標是更進一步，引入先進的傳感器和觸發器。其中一些可以檢測電池何時膨脹，另一些可以生成熱圖，還有一些可以監測氫氣或一氧化碳等危險氣體。

所有這些傳感器將為電池健康狀況提供預警系統。

當電池的“大腦”決定需要修復時，修復機制就會被激活。例如，這可能意味著擠壓電池使其恢復原狀，或者施加有針對性的熱量來觸發電池內部的自我修復機制。

“我們的想法是，在熱處理下，一些獨特的化學鍵會恢復，”CSEM的電池化學家、同時也是PHOENIX項目工作人員的Sufu說道。

另一種自愈方法是利用磁場來分解樹突——充電過程中在電池電極上形成的分支金屬結構，可能導致短路和失效。

尺寸很重要

PHOENIX研究人員還致力于增加電動汽車的行駛里程并減小電池的尺寸。

Sufu說：“我們正在努力開發能量密度更高的下一代電池。”這意味著電動汽車需要更小的電池，從而減輕重量，并使其單次充電后行駛更遠。

其中一種策略是將鉛筆所用的材料石墨用介于金屬和非金屬之間的硅來代替。

Sufu表示，這種材料在目前的商用電池中并未得到廣泛采用，部分原因是硅的穩定性較差，在充放電過程中其體積可能會膨脹高達300%。如果電池內部含有硅，就必須能夠承受這些劇烈的變化，或者實現自我修復。

今年3月，開發了一批新的傳感器原型和觸發器，并發送給合作伙伴，用于在電池袋電池（柔性、輕便和扁平的鋰離子電池）上進行測試。

然而，雖然在電池上安裝傳感器可以很好地提供電池的健康狀況信息，但也會增加成本。因此，該團隊專注于確定哪些技術能夠帶來足夠的效益，從而證明電動汽車的成本是合理的。

無論哪種方法占上風，它都將使未來的電動汽車使用壽命更長、行駛距離更遠，并且配備更安全、更緊湊、資源密集程度更低的電池。

延長電池壽命還將減少電動汽車的碳足跡，為消費者和環境帶來雙贏。

Ziegler說：“延長電池壽命和研發電動汽車令人興奮。關鍵在于把各個部件組裝起來。”