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2020年01月07日 | 小體積、大容量的鋰金屬電池要翻身?

發(fā)布者:悠閑之旅 來源: EEWORLD 手機看文章 掃描二維碼
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理論上,如果電池體積不變,在搭載鋰金屬電池的情況下,電動汽車的續(xù)航里程將提升一倍


說到鋰離子電池大家肯定并不陌生,從能裝進褲兜里的手機、行駛在路上的汽車,再到用于電網能量儲存的基礎設施都能見到它的身影。


目前,全球的鋰離子電池產量已達到約160G瓦時的水平。這項革命性的技術使其三位主要開發(fā)者在2019年獲得了諾貝爾化學獎。


然而,鋰離子電池產品并非完美無缺。它價格偏高;有可能發(fā)生著火現(xiàn)象;依賴于越來越難以獲得的材料,如鈷和鎳。


電池專家一致認為,總有一天會出現(xiàn)更好的電池。這說的有可能就是鋰金屬電池。


其實,鋰金屬電池算是鋰離子電池的前輩。它于1970年代由時任艾克森石油公司的化學家的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham,2019諾貝爾化學獎得住之一)開發(fā)出來。


金屬鋰作為電池材料的一大優(yōu)勢是,它很容易釋放電子和帶正電荷的鋰離子。理論上,如果電池體積不變,在搭載鋰金屬電池的情況下,電動汽車的續(xù)航里程將提升一倍。


但事實證明,惠廷厄姆的設計難以商業(yè)化,原因在于鋰有著高反應活性,通常鋰金屬箔與電解質會產生不良反應,從而導致電解質過熱,甚至出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。另外,用來做陰極的二硫化鈦也太貴。


一個3D孔的活性表面空間是一個2D電池的50倍


后來,惠廷厄姆和其他研究人員在鋰中加入了石墨,以此來降低其反應活性,并用更便宜的材料替換了陰極。于是,我們現(xiàn)在常用的鋰離子電池由此誕生。


帶有鋰金屬陽極的電池就此被當成了鋰離子電池發(fā)展道路上的一個有趣墊腳石。


不到十年前,來自麻省理工學院(MIT)的A123系統(tǒng)公司宣布破產,一定程度上是被這一不成熟技術拖了后腿,進而導致投資者對于電池技術的疑慮。


2013年1月28日,在美國首都華盛頓,外國投資委員會(CIFUS)正式批準,同意萬向集團收購A123。同樣源自MIT的SolidEnergy接管了A123閑置的設施,隨后開始以具備商業(yè)可行性的方式自主制造電池。


總部位于美國華盛頓州博塞爾的XNRGI公司也沒有放棄這個選項,目標是要將鋰金屬電池商業(yè)化并打入主流市場。


該公司研發(fā)團隊通過將金屬鋰沉積到涂有薄膜的硅襯底上,并蝕刻數以百萬計的微小孔洞,成功地抑制了金屬鋰的反應活性。


與傳統(tǒng)的鋰離子二維陽極相比,金屬鋰電池的三維基底大大增加了陽極的表面積。“使用金屬鋰陽極的容量是傳統(tǒng)石墨層間化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德庫托(Chris D’Couto)說道。


該公司預計2020年開始批量生產鋰金屬電池,供應給制造電動車和消費電子產品的客戶。


XNRGI還瞄準了電網存儲市場。2019年,它與加拿大初創(chuàng)公司Cross Border Power簽署協(xié)議,成立了一家合資企業(yè),主要業(yè)務正是將其電池分銷給北美的公用事業(yè)機構。


當然,關于新電池技術的新聞從來就沒斷過,其中不乏有人說自己的研究是“革命性的,可以顛覆整個市場”。但相對而言,在實驗室里看起來很有前途的電池,到了真正投入市場時卻少之又少。


“這取決于你要滿足多少個指標。”阿貢國家實驗室儲能專家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)解釋說,“如果是用于電動車,理想的電池應滿足續(xù)航里程為幾百公里、充電時間以分鐘為單位、工作溫度范圍廣泛、使用壽命達10年、碰撞安全等條件。當然,成本也要降下來。”


“考慮的指標越多,讓一項新的電池技術商業(yè)化就越困難,所以需要妥協(xié)。比如,想讓電池使用10年以上,那行駛里程可能就有限,充電速度也不會很快。”他補充說,“還有一點是,行業(yè)只希望看到至少與現(xiàn)有電池一樣好的產品。”


XNRGI的德庫托自己也承認,說商業(yè)化鋰金屬電池并非易事。但他同時表示,公司在幾個方面上有優(yōu)勢。



首先,嚴格來講,XNRGI沒有發(fā)明新的制造方法,而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些可靠技術,包括在硅上蝕刻20×20微米的空腔以及薄膜的應用。因此,該公司給電池起了個帶有“芯片”的名字:PowerChip。


德庫托說,這些用顯微鏡才能看到的微孔中的每一個都可以被看作是微電池。與鋰離子電池會發(fā)生災難性故障不同,一個PowerChip微電池出現(xiàn)問題不會傳播到周圍的電池上。


其次,一些鋰離子電池,如Enovix、Nexeon、Sila納米技術和Sion Power等公司生產的產品,是用硅替代部分或全部的陽極石墨,從而獲得更好的性能。在這些電池的陽極中,鋰與硅材料結合形成Li15Si4。


同樣,PowerChip的硅襯底具有導電涂層,可作為集流體和防止硅與鋰相互作用的擴散屏障。在這點上,德庫托稱鋰金屬陽極的容量大約是硅插層陽極的5倍。


目前,該公司正在使用由鋰鈷氧化物和鎳錳鈷制成的陰極,其電池容量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍,而硫等替代材料可以進一步提高陰極性能。“但如果只有一極的性能提高,另一極沒有相應的變化并不能激發(fā)出電池的全部潛能。”德庫托給出了這樣的回答。


此前,XNRGI叫做NEAH電力系統(tǒng),開發(fā)過燃料電池。但是燃料電池市場并沒有起飛,所以到了2016年,在獲得美國能源部的許可后,它使用相同的概念造起了鋰金屬電池。


“我希望每個人都開電動車,甚至連飛機都應該電動化。”斯里尼瓦桑看了一眼快沒電的手機,接著說,“電池和生活一樣,總有改進的空間。”


引用地址:小體積、大容量的鋰金屬電池要翻身?

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