鉅大LARGE | 點擊量：948次 | 2021年10月25日
“超級電池”在哪里？五大技術(shù)商業(yè)前景可期
電池續(xù)航力的提升決定著電動汽車的命運，科研人員在追求化學與材料的新發(fā)現(xiàn)，車企與電池供應(yīng)商在合力降低成本新增能量。在不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)中，替代鋰離子化學成分的各種研究大量投入，有一些成為了熱門應(yīng)用和解決方法。
一、五大電池技術(shù)商業(yè)前景可期
1.麻省理工學院：半固態(tài)鋰液流電池
美國麻省理工學院的研究人員與一家名為24M的衍生公司合作，開發(fā)出一種制造鋰離子電池的先進工藝：半固態(tài)鋰液流電池，不僅有望顯著降低生產(chǎn)成本，還能提高電池性能，使其更易于回收。
24M公司的創(chuàng)始人是麻省理工學院教授、A123電池公司前創(chuàng)始人之一蔣業(yè)明。蔣業(yè)明這個名字在電池界很知名，在全球材料科學家中排名66位。算是電池行業(yè)的世界優(yōu)秀專家。他除了搞磷酸鐵鋰離子電池以外，還與同事于5年前提出了“半固態(tài)液流電池”概念，這些年他一直在做商用努力。
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人們不斷尋找正極和負極材料，提升能量密度，干電池、鎳鎘電池還是鋰離子電池，無論材料怎么升級，傳統(tǒng)電池對活性物質(zhì)的利用率很低，能夠出現(xiàn)電能的物質(zhì)被包裹在必須的非活性物質(zhì)之中。在常見的鋰離子電池里面，鋰材料只含電池重量的2%左右，這些非活性物質(zhì)新增了電池成本，降低了活性物質(zhì)的利用率。因為傳統(tǒng)電池的這些弱點，誕生了液流電池。液流電池可以視為一個獨立的大電池，正負極電解液分別存放，集中反應(yīng)出現(xiàn)電能。這樣無需昂貴的附加材料，可以大大提升效率。
既然液流電池這么好，效率這么高，為何還沒有被廣泛采用呢?因為液流電池的缺點也很多。目前液流電池的濃度有限制，雖然理論上效率比傳統(tǒng)電池要高，但是溶液濃度低、能量密度和功率密度并沒有優(yōu)勢，價格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上裝溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加裝置，液流電池整個系統(tǒng)綜合算下來效能就更差。
所以，蔣業(yè)明開發(fā)出來了半固態(tài)鋰液流電池。這種液流電池不用溶液，用細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因為這種泥漿的能量密度可以做的比溶液高，于是液流電池的大容量優(yōu)勢就有了，在蔣業(yè)明在麻省理工寫論文的時候，他的半固態(tài)液流電池的能量已經(jīng)可以達到500WH/L。
這種電池的原理其實很簡單。電極是細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束泥漿流，一束帶正電，一束帶負電，兩束泥漿都通過鋁集電器和銅集電器，兩個集電器之間有一個能透水的膜。當兩束泥漿通過膜時，會交換鋰離子，導致電流在外部流動。為了重新給電池充電，只要施加電壓讓離子后退穿過膜即可。這樣，它的正極負極的材料利用率比傳統(tǒng)電池高的多，只要一層膜就夠了，用的各種材料也比傳統(tǒng)電池便宜的多。而且，半固態(tài)鋰液流電池可以做成柔性的(可以想象成塑料袋包著兩團泥漿)，不僅可彎曲、折迭，即使被子彈穿過也不會受損，安全性耐用性都有很大優(yōu)勢。
理論上，半固態(tài)鋰液流電池的能量密度更高，價格更低，更安全，具有美好的前景。但是，這種東西的原理和結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在的電池完全不同，生產(chǎn)線設(shè)計、質(zhì)量控制、測試標準、量產(chǎn)工藝這些東西都得從頭摸索。于是，這些年蔣業(yè)明的24M公司就一直在做從實驗室到量產(chǎn)的事情，解決新結(jié)構(gòu)電池量產(chǎn)中遇到的各種問題，逐漸形成了一條手工生產(chǎn)線。到后來，他們手動生產(chǎn)一塊手機電池大小的單元只需6分鐘。經(jīng)過摸索，團隊對生產(chǎn)工藝反復改進，最終打造出了工業(yè)化生產(chǎn)平臺，讓電池的能量密度和生產(chǎn)速度都發(fā)生了質(zhì)的變化。
24M公司已經(jīng)在原型生產(chǎn)線制造了約10000塊這樣的電池，部分正在接受3個工業(yè)合作伙伴的測試，包括泰國的一家石油公司和日本重型設(shè)備制造商IHI株式會社。新工藝已獲得8項專利，另有75項專利正在接受評審。下一步，蔣業(yè)明準備啟動第三輪融資，新的資金將用于研發(fā)一種機器，能在2-10秒內(nèi)產(chǎn)出一個電芯。這說明，半固態(tài)液流電池已經(jīng)到了大規(guī)模測試階段了，這個階段過了就是大規(guī)模量產(chǎn)了。
液流電池的成本優(yōu)勢、安全優(yōu)勢、容量優(yōu)勢，在我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C、平板上并不突出。反而，這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車與家庭儲能的絕配。電動汽車一旦用上這種電池，價格立即就能平易近人，續(xù)航里程也會更長，而且這種電池更安全，不怕普通的碰撞，這對電動汽車的安全性很有好處。
半固態(tài)鋰液流電池也許真的能鬧一場電池革命，也許只要3-5年，電動汽車的世界就會完全不同。(本節(jié)部分摘自雷鋒網(wǎng))
2.nanoFLOWCELL：液流電池可續(xù)航1000公里
在三月五日開幕的第85屆日內(nèi)瓦車展上，中歐小國列支敦士登的nanoFLOWCELL不僅帶來續(xù)航800公里的QUANTF電動超跑，除了酷炫的外表，最大亮點就是采用了鋰離子液流電池作為性能電動超跑的推動力，續(xù)航里程高達800公里。第一輛原型車最早將在2015年上路行駛。
液流電池將電化學蓄電池以及燃料動力鋰電池的各個方面相結(jié)合，相比為當今電動汽車供應(yīng)動力的鋰離子電池技術(shù)而言，其性能高出4倍。新型液流電池除了在價格和行駛里程上具有顯著優(yōu)勢外，還比目前汽車上使用的電池更加安全，更容易融入汽車設(shè)計中去。
液流電池將電化學蓄電池以及燃料動力鋰電池的各個方面相結(jié)合。液體電解質(zhì)存在于兩個電池倉中并經(jīng)過電池流通。系統(tǒng)中心有一層隔膜將兩個電解質(zhì)解決方法分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動力系統(tǒng)制造動力。該系統(tǒng)的優(yōu)勢之一在于其采用體積較大的電池倉，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50A額定電流下，該系統(tǒng)能不斷輸出30千瓦的最大功率。相比為當今電動汽車供應(yīng)動力的鋰離子電池技術(shù)而言，性能高出4倍，也就是說它的可行駛里程是同等重量傳統(tǒng)元件的5倍。
QUANTF原型車中搭載了體積為200升的電池倉，儲容量為120千瓦時。該車在低負載條件下，百公里能耗約為20千瓦時。公司表示，今后有望將電池倉的體積擴充至800升。車內(nèi)配備了4臺持續(xù)功率為120千瓦、峰值功率為170千瓦的電機，可通過扭矩分配實現(xiàn)四驅(qū)駕駛，也能作為車內(nèi)兩個超級電容器的備用能量儲蓄裝置。每個車輪單獨峰值扭矩可達到2900牛˙米。百公里加速耗時僅需驚人的2.8秒。
3.Sakti3固態(tài)電池技術(shù)突破電動汽車里程翻倍至近800公里
座落在美國密歇根州第六大城市安娜堡的鋰離子電池初創(chuàng)公司Sakti3近日獲得了英國家電巨頭戴森(Dyson)1500萬美元的投資，這家專門從事鋰離子電池研發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司手中握有一項絕技，那就是Sakti3研發(fā)的電池能量密度達到每升1000瓦時，這是目前普通鋰離子電池的兩倍，智能手機、筆記本電腦和電動汽車的電池性能將因此大大提高。
Sakti3的神秘電池使用了新型材料和生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)更高的能量密度，他們聲稱可以存儲每升1000瓦時，電動汽車的續(xù)航里程能從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環(huán)保，而且比有些標準更安全。這項技術(shù)棄用了傳統(tǒng)鋰離子電池中的可燃液體電解質(zhì)，通過其高能存儲材料實現(xiàn)技術(shù)進步，最重要的是，它的價格更低，每千瓦時約100美元，要遠低于目前200到300美元的市價，未來能夠應(yīng)用于受限于成本和里程限制的電動汽車。
目前，Sakti3的鋰離子電池技術(shù)在處于研發(fā)階段，距離商品化還要“數(shù)年”。很多電池初創(chuàng)公司都在努力將實驗室技術(shù)轉(zhuǎn)化成真實商品，但是一直也沒有重大突破，部分原因在于他們的原型產(chǎn)品是定制的，要使用昂貴的制造技術(shù)，難以批量生產(chǎn)。而Sakti3的原型產(chǎn)品則采用了標準生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過完善升級，實現(xiàn)商業(yè)化的可能很大。
4.大眾汽車：電池成本下降能量密度提高
大眾汽車集團首席執(zhí)行官馬丁˙文德恩(MartinWinterkorn)日前透露，公司正在開發(fā)“超級電池”(Super-battery)，可大幅提升電動汽車續(xù)航里程，當下接近在新電池技術(shù)上取得突破。
文德恩在接受德國媒體采訪時表示：大眾正在加利福尼亞州硅谷研發(fā)一款超級電池，新電池價格更低，體積更小，動力更強勁。一款電動版大眾品牌車型(在搭載超級電池后)純電動續(xù)航里程有望達到300公里(186英里)。
那么，大眾將采用何種技術(shù)大幅提升電池能量密度?并且顯著改善電動汽車續(xù)航里程?目前焦點重要聚集在現(xiàn)有鋰離子電池升級版解決方法，以及較新穎的固態(tài)電池技術(shù)兩個方向。
在成本降低方面，大眾汽車品牌董事會成員主管研發(fā)業(yè)務(wù)的Heinz-JakobNeusser透露，目前正計劃統(tǒng)一電池組規(guī)格，希望未來所有的電氣化車輛可以轉(zhuǎn)向單一的鋰離子電池單元設(shè)計。統(tǒng)一規(guī)格必然將會帶來成本的下降，目標是通過簡化電池單元設(shè)計降低66%的電池成本。
5.LGChem電池新技術(shù)讓電動汽車能跑500公里
韓國電池巨頭LGChem宣布開發(fā)出新技術(shù)，電動汽車充電一次可行駛400-500公里，里程加倍，預計2017年就能量產(chǎn)。
目前，一般電動汽車充電后僅能行駛不到200公里。LGChem副會長兼首席執(zhí)行官樸鎮(zhèn)洙(ParkJin-soo)表示，該公司已研發(fā)出新技術(shù)，電動汽車行駛里程能增至400-500公里，產(chǎn)品不久就將投產(chǎn)，但是拒絕透露更多細節(jié)。而LGChem動力鋰離子電池事業(yè)部掌門人PrabhakarPatil近日接受外媒專訪時預計，2017年LG化學會再次取得重大技術(shù)突破，這比他原來預期的快，“到2017年或2018年，3萬美元、續(xù)航200英里(約321公里)的電動汽車將成為商業(yè)化主流產(chǎn)品。”雖然通用汽車公司還沒有證實即將推出的2017款雪佛蘭BOLT純電動汽車是否會使用LG化學的電池，但業(yè)內(nèi)已普遍認為會是這樣。
二、無法商業(yè)化為何電池技術(shù)就是沒有突破?
假如你想要一款加速度體驗良好的車，特斯拉ModelS絕對能滿足你。當然，像這樣的電動汽車不僅能夠帶來良好的駕駛體驗，相比較于傳統(tǒng)汽油車，它也不會對環(huán)境造成污染。但是，從電動汽車誕生至今，它都只是占了很小一部分市場份額。重要的原因是電動汽車的電池昂貴而且要經(jīng)常充電?？墒?，為何電池性能一直以來都不見起色?
在過去的數(shù)年中，有無數(shù)的電池技術(shù)研究取得突破性的進展，但是這些當中，鮮少能夠被商業(yè)所使用，兌現(xiàn)低成本和多容量的承諾。比如成立于2001年的鋰離子電池初創(chuàng)公司A123Systems，曾宣稱，能將鋰離子電池的磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級超小顆粒，因顆粒和總表面面積劇增而大幅提電池的放電功率，而且，整體穩(wěn)定度和循環(huán)壽命皆未受影響。但最終于2012年以失敗告終。原因是，不能夠量產(chǎn)它所描述的那些鋰離子電池，也不能安全有效地轉(zhuǎn)換電量。
2012年，位于美國加州的電池公司EnviaSystems在華盛頓重大的會議上宣稱，研發(fā)出能量密集型電池，單位重量的鋰離子電池儲存能量是目前電池的兩倍，而且成本降低一半。通用汽車一聽說能研發(fā)如此高能電池的Envia，馬上向其投資了700萬美元，希望在電動汽車業(yè)務(wù)上進行合作。到了2013年，Envia都沒有兌現(xiàn)它所宣稱的“驚人效果”，導致失去資助資金以及通用汽車公司的合作伙伴關(guān)系。另外，這家公司也受到美國高級能源研究計劃署ARPA-E的重視。只能說，Envia令人印象深刻的電池讓人興奮也讓人落空。
事實上，在電池行業(yè)中，由于電池技術(shù)的高門檻，初創(chuàng)公司難以單獨存活。因此，電池行業(yè)一般都是由大公司主導。A123Systems前高管AndyChu說：能量存儲是一個“大頭”玩的游戲，因為在研發(fā)電池中稍有不慎將會鑄成錯誤。雖然我希望電池初創(chuàng)公司最終會取得成功，但通過這幾年的歷史，(大家都可以看見，這些公司的)下場都不太好。
在過去的十年里，我們見證了電池行業(yè)“突破性”的進展，但是這些都是來自大公司的一些穩(wěn)定小進步。
Envia的電池是一種新型的鋰離子電池，發(fā)明于70年代末80年代初，商業(yè)運用于90年代。它們變成一種便攜式電池，被人們用于電動汽車上。
早在90年代，通用汽車在其電動汽車EV-1上使用廉價的鉛酸蓄電池，不僅車輛行駛的里程數(shù)較少，車上的鉛酸蓄電池也十分笨重。
到了2008年，特斯拉引進鋰離子電池的電動汽車，雖然里程數(shù)比EV-1多了，但是價格昂貴。于是，有汽車制造商如日產(chǎn)汽車和通用汽車為了降低價格，打造出里程數(shù)少的電動汽車，其實重要減少電動汽車的鋰離子電池。
假如改變了電池中的某一部分比如引進一個新電極，所帶來的的問題是難以預見的。有些問題甚至要幾年時間才能檢測到。當年，為了達到投資者和ARPA-E的期望，Envia不是融合了一種電極材料而是兩種實驗性的電極材料進行研發(fā)。(其實，Envia還是蠻拼的，只不過，事情的結(jié)果就這樣罷了)在2006年，Envia授權(quán)阿貢國家實驗室ANL的研究人員研發(fā)一種很有前景的電池材料，但是，一個嚴重的問題出現(xiàn)了：隨著時間的推移，電池的電壓改變后，它就無法使用了。盡管ANL的研究人員深入研究這個問題，但原因仍無法無法得知。除了這個，Envia還面對一個挑戰(zhàn)：基于硅的電池電極問題。研究人員看似解決了這個問題：提出一套無法在實際中操作的解決方法。這讓Envia的研究人員們感到十分奔潰。
但是隨著時間的推移，以上這些大大小小的問題都差不多解決的時候，Envia發(fā)現(xiàn)，電池中復合材料的微小變化都會改變整個電池的性能。當然，Envia認為最終不能實現(xiàn)驚人效果的結(jié)果，是因為他們的電池材料供應(yīng)商中有某些污染材料。當然，這個污染來自哪里是什么，似乎也沒有人了解。
其實，Envia的故事很鮮明告訴大家，電池的進展包括性能與成本，不是來自突破性技術(shù)，而是來自像特斯拉與其電池供應(yīng)商松下的密切合作關(guān)系。自從08年以來，特斯拉的電池成本降低一半，電容量新增60%。特斯拉并沒有刻意去改變電池的化學或者材料，而是提高制造效率和改進生產(chǎn)。還與松下一起根據(jù)汽車的需求進行適當?shù)碾姵貎?yōu)化。
雖然很難想象特斯拉在鋰離子電池上進行微調(diào)整獲得持續(xù)性的發(fā)展，因為鋰離子電池的進步空間并不十分“寬敞”?；蛟S到最終要像Envia這樣徹底整改，才能獲取電池的跨越性進步。不過，至少Envia告訴我們，提高電池性能必須要密切結(jié)合制造業(yè)和工程技術(shù)，要生產(chǎn)實際使用的產(chǎn)品。
雖然以上內(nèi)容看似在回顧Envia的歷史，但是這也是電池發(fā)展的一個縮影。近二十多年來，科技飛速發(fā)展。計算機從電子管元件時代演變成今天的超大規(guī)模集成電路，往日笨拙巨大的計算機如今小到能裝進我們的口袋中。而電池，更像一個后進生，遲遲不能跟上發(fā)展的步伐?；蛟S也正是以上這些原因造成現(xiàn)在的局面。(本文來源：雷鋒網(wǎng)作者：橙太白)
