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小体积、大容量的锂金属电池要翻身?

2020-01-07 浏览次数:1,696 次 盖世汽车

理论上,如果电池体积不变,在搭载锂金属电池的情况下,电动汽车的续航里程将提升一倍

说到锂离子电池大家肯定并不陌生,从能装进裤兜里的手机、行驶在路上的汽车,再到用于电网能量储存的基础设施都能见到它的身影。

目前,全球的锂离子电池产量已达到约160G瓦时的水平。这项革命性的技术使其三位主要开发者在2019年获得了诺贝尔化学奖。

然而,锂离子电池产品并非完美无缺。它价格偏高;有可能发生着火现象;依赖于越来越难以获得的材料,如钴和镍。

电池专家一致认为,总有一天会出现更好的电池。这说的有可能就是锂金属电池。

其实,锂金属电池算是锂离子电池的前辈。它于1970年代由时任艾克森石油公司的化学家的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham,2019诺贝尔化学奖得住之一)开发出来。

金属锂作为电池材料的一大优势是,它很容易释放电子和带正电荷的锂离子。理论上,如果电池体积不变,在搭载锂金属电池的情况下,电动汽车的续航里程将提升一倍。

但事实证明,惠廷厄姆的设计难以商业化,原因在于锂有着高反应活性,通常锂金属箔与电解质会产生不良反应,从而导致电解质过热,甚至出现燃烧现象。另外,用来做阴极的二硫化钛也太贵。

一个3D孔的活性表面空间是一个2D电池的50倍

后来,惠廷厄姆和其他研究人员在锂中加入了石墨,以此来降低其反应活性,并用更便宜的材料替换了阴极。于是,我们现在常用的锂离子电池由此诞生。

带有锂金属阳极的电池就此被当成了锂离子电池发展道路上的一个有趣垫脚石。

不到十年前,来自麻省理工学院(MIT)的A123系统公司宣布破产,一定程度上是被这一不成熟技术拖了后腿,进而导致投资者对于电池技术的疑虑。

2013年1月28日,在美国首都华盛顿,外国投资委员会(CIFUS)正式批准,同意万向集团收购A123。同样源自MIT的SolidEnergy接管了A123闲置的设施,随后开始以具备商业可行性的方式自主制造电池。

总部位于美国华盛顿州博塞尔的XNRGI公司也没有放弃这个选项,目标是要将锂金属电池商业化并打入主流市场。

该公司研发团队通过将金属锂沉积到涂有薄膜的硅衬底上,并蚀刻数以百万计的微小孔洞,成功地抑制了金属锂的反应活性。

与传统的锂离子二维阳极相比,金属锂电池的三维基底大大增加了阳极的表面积。“使用金属锂阳极的容量是传统石墨层间化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德库托(Chris D’Couto)说道。

该公司预计2020年开始批量生产锂金属电池,供应给制造电动车和消费电子产品的客户。

XNRGI还瞄准了电网存储市场。2019年,它与加拿大初创公司Cross Border Power签署协议,成立了一家合资企业,主要业务正是将其电池分销给北美的公用事业机构。

当然,关于新电池技术的新闻从来就没断过,其中不乏有人说自己的研究是“革命性的,可以颠覆整个市场”。但相对而言,在实验室里看起来很有前途的电池,到了真正投入市场时却少之又少。

“这取决于你要满足多少个指标。”阿贡国家实验室储能专家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)解释说,“如果是用于电动车,理想的电池应满足续航里程为几百公里、充电时间以分钟为单位、工作温度范围广泛、使用寿命达10年、碰撞安全等条件。当然,成本也要降下来。”

“考虑的指标越多,让一项新的电池技术商业化就越困难,所以需要妥协。比如,想让电池使用10年以上,那行驶里程可能就有限,充电速度也不会很快。”他补充说,“还有一点是,行业只希望看到至少与现有电池一样好的产品。”

XNRGI的德库托自己也承认,说商业化锂金属电池并非易事。但他同时表示,公司在几个方面上有优势。

首先,严格来讲,XNRGI没有发明新的制造方法,而是借鉴了芯片制造商用于制造集成电路的一些可靠技术,包括在硅上蚀刻20×20微米的空腔以及薄膜的应用。因此,该公司给电池起了个带有“芯片”的名字:PowerChip。

德库托说,这些用显微镜才能看到的微孔中的每一个都可以被看作是微电池。与锂离子电池会发生灾难性故障不同,一个PowerChip微电池出现问题不会传播到周围的电池上。

其次,一些锂离子电池,如Enovix、Nexeon、Sila纳米技术和Sion Power等公司生产的产品,是用硅替代部分或全部的阳极石墨,从而获得更好的性能。在这些电池的阳极中,锂与硅材料结合形成Li15Si4。

同样,PowerChip的硅衬底具有导电涂层,可作为集流体和防止硅与锂相互作用的扩散屏障。在这点上,德库托称锂金属阳极的容量大约是硅插层阳极的5倍。

目前,该公司正在使用由锂钴氧化物和镍锰钴制成的阴极,其电池容量是传统锂离子电池的两倍,而硫等替代材料可以进一步提高阴极性能。“但如果只有一极的性能提高,另一极没有相应的变化并不能激发出电池的全部潜能。”德库托给出了这样的回答。

此前,XNRGI叫做NEAH电力系统,开发过燃料电池。但是燃料电池市场并没有起飞,所以到了2016年,在获得美国能源部的许可后,它使用相同的概念造起了锂金属电池。

“我希望每个人都开电动车,甚至连飞机都应该电动化。”斯里尼瓦桑看了一眼快没电的手机,接着说,“电池和生活一样,总有改进的空间。

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