咱们平时生活中,可能都有这么个烦恼,新买的手机用着挺好,电量也足,可一两年过去,电池就越来越不经用了,一天得充好几次电。
还有现在马路上越来越多的电动汽车,大家一边享受着它带来的便利,一边也总会有点担心,充电慢不慢?
安不安全?
会不会着火?
这些问题,其实都指向一个核心,就是电池技术。
最近,有一项听起来特别高科技的新材料技术,正悄悄地从实验室里走出来,尝试解决这些咱们老百姓关心的大问题。
这项技术的核心,是一种叫做“金属有机框架”的材料,英文缩写是MOFs。
这个名字听着挺绕口,但它的原理其实可以用一个很简单的比方来理解。
您可以把它想象成是用原子级别的“乐高积木”搭出来的一个个极其微小的三维架子。
这些架子内部空空荡荡,布满了无数个小孔。
它的神奇之处在于,这些孔的大小、形状,甚至它喜欢水还是排斥水,都可以通过换用不同种类的“乐高积木”来精确地设计。
这种材料最厉害的一点,就是它内部的表面积极其巨大。
打个比方,仅仅一克重的这种粉末,如果把它里面所有小孔的内壁全都展开铺平,面积能有一个标准足球场那么大。
这么大的空间,就意味着它有超强的吸附和储存能力。
所以科学家们最早想到的是用它来储存气体,比如储存氢气,可以让氢能源汽车的储氢罐更高效、更安全。
或者用它来捕捉空气里的二氧化碳,就像一个超级吸尘器,对环保也有很大帮助。
正因为它的潜力巨大,科学界普遍认为,发明这种材料的科学家们未来获得诺贝尔奖是很有可能的。
但是,一个东西从实验室里的“宝贝”,要变成工厂里能量产、老百姓能用得上的商品,中间的路非常难走。
这个MOFs材料就遇到了好几个大难题。
首先就是太贵了。
最早的制作方法,又费时间又费能源,做出来的成本非常高,一公斤卖到几万甚至几十万块钱,这么贵的价格,除了尖端科研,根本没有哪个行业用得起。
其次,它有点“娇气”,很多种类的MOFs结构不太稳定,一碰到水或者空气就容易坏掉。
最后,它本身是一种粉末,这就不太好用。
您总不能直接往电池里撒一把粉末吧?
怎么把它变成一个设备里能稳定工作的部件,也是个大问题。
因为这些原因,虽然国外一些大公司很早就开始研究,但二十年来,这种材料的商业化应用一直进展缓慢。
然而,随着咱们国家新能源产业,特别是电池产业的飞速发展,一个意想不到的机会出现了。
这个机会,就藏在电池内部一个常常被我们忽略的地方——“界面”。
我们都知道,电池有正极和负极,充电放电的过程,就是微小的锂离子在正负极之间来回跑动。
为了防止正负极直接接触短路,中间会隔着一层膜,叫隔膜。
而在电极和电解液之间,也存在着一个接触面,这就是“界面”。
这个界面,就像是连接两个城市的交通要道,如果这个要道堵车、不平整,那么车流(也就是锂离子)就跑不顺畅,整个交通系统(也就是电池)的效率就会大大降低。
尤其是在现在大家都在努力研发的固态电池里,这个问题更突出。
固态电池用固体的电解质代替了现在普遍使用的液体电解液,安全性大大提高,不会漏液也不会轻易燃烧。
但缺点是,固体和固体之间的接触,天生就不如固体和液体接触得那么好。
界面上容易产生很大的“电阻”,就像路面坑坑洼洼,锂离子跑起来特别费劲。
而且还容易长出一种叫做“锂枝晶”的东西,它像一根微小的、不断生长的尖刺,会刺穿隔膜,导致电池内部短路,引发危险。
所以说,谁能把固态电池的界面问题解决了,谁就拿到了下一代电池技术的钥匙。
就在这个背景下,国内的一家初创公司——杭州的维桢新材料,和它的创始人张漩博士,看到了MOFs材料的巨大潜力。
张漩是一位在欧洲留学多年的材料工程博士,他在研究中偶然发现,MOF这种多孔的结构,对锂离子的通过有着非常好的疏导作用。
它就像一个设计精密的智能关卡,既能让锂离子快速、均匀地通过,又能有效阻止那些可能导致短路的有害反应。
2021年回国后,张漩加入了浙江大学杭州国际科创中心,并很快创办了维桢新材料。
他们的目标非常明确,就是要攻克前面提到的那几个让MOFs产业化困难的“拦路虎”,让这种神奇材料真正在电池里发挥作用。
首先是降成本。
传统的生产方式像是用高压锅长时间焖炖,费时费电。
维桢新材料团队通过技术攻关,开发出了一种新的“电沉积”工艺。
这个过程有点像我们平时看到的电镀,在常温下通过电化学反应,就能让MOF材料均匀地“长”在需要的地方。
这样一来,生产时间从原来的几十个小时,缩短到了几十分钟,能耗也大大降低。
最直接的结果就是,成本实现了断崖式下降,从原来每吨上百万元,降到了十几万元,降幅超过了百分之九十。
这就意味着,这种新材料已经具备了商业化应用的价格基础。
接着是解决“不好用”的问题。
为了让粉末变成能用的产品,他们开发出了自己的浆料体系,能把MOFs粉末做成一层功能性的薄膜,涂覆在电池的隔膜上。
他们把这种新产品称为“功能性隔膜”。
过去的隔膜,主要作用就是“隔离”,防止短路。
而维桢新材料的这种新隔膜,不仅能隔离,还能主动地改善电池内部的化学环境,提升电池的整体性能。
比如,在一些电池里,锰元素的流失会影响电池寿命,而这层MOFs薄膜就像一张精准的过滤网,能把锰离子牢牢地锁在原地,从而延长电池的循环寿命和安全性。
最后,也是工业化生产最关键的一步,是保证产品的一致性。
在实验室里做成功一次不难,难的是在工厂里,成千上万批次的产品,性能都要稳定得一模一样。
这背后需要大量的工艺摸索和反复试验。
据说,维桢新材料的团队经过无数次失败和调整,终于在今年实现了连续三十多个批次产品指标的完全一致。
这标志着他们的技术真正从实验室走向了成熟的工业化生产。
目前,这家公司已经能够稳定生产多款MOFs产品,并建成了年产二十吨的中试产线,百吨级的产线也正在建设中。
他们正与国内一些知名的电池材料企业合作,进行产品验证。
虽然电池行业的验证流程非常严格漫长,但每通过一轮验证,都意味着他们的技术在产业化的道路上又迈出了坚实的一步。
从更广的视角看,维桢新材料的突围,也反映了我们国家制造业升级的一个趋势。
未来的产业竞争,不再仅仅是比拼谁的产能更大、成本更低,而是转向了更深层次的技术竞争。
在电池领域,过去大家关注的焦点主要在正极、负极这些占成本大头的主材上。
而未来,像隔膜、电解质添加剂这些虽然成本占比不高,但却能显著影响电池寿命、安全性和能量密度的“辅助材料”,正成为新的技术高地。
这些领域的突破,往往能带来“四两拨千斤”的效果。
像维桢新材料这样的高科技初创企业,正是抓住了这样的产业变革机会。
他们利用中国庞大的市场需求和完整的产业链优势,将前沿的科学研究与产业的实际痛点相结合,努力在细分领域挑战巨头,闯出一条自己的路。
他们的探索,不仅可能在未来让我们的手机、电动汽车用上更安全、更长寿的电池,也为中国从“制造大国”走向“制造强国”增添了生动的一笔。

