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特写 | 锂金属电池可能成为储能下一个重大创新

   日期:2018-09-13     来源:世纪储能网    浏览:1544    评论:0    
核心提示:锂离子电池于1991年首次在索尼公司摄像机中向公众推出,从此之后彻底改变了人们的生活。多功能锂离子电池现在为医疗微型植入物、
 锂离子电池于1991年首次在索尼公司摄像机中向公众推出,从此之后彻底改变了人们的生活。多功能锂离子电池现在为医疗微型植入物、智能手机、叉车、电动汽车等各种设备提供动力。然而,锂离子电池技术仍然不足以完全取代燃油汽车,另外其高昂成本难以解决太阳能和风能大量储能问题。

总部位于马萨诸塞州的初创厂商Pellion 公司首席执行官Dave Eaglesham认为,该公司开发的电池产品超越了锂离子电池的性能,这将使电池行业进入下一个技术颠覆阶段。该公司完成了研究人员几十年来一直在努力的事情:开发了可靠的可充电锂金属电池。

虽然其他初创公司多年来开发了一些种类的锂金属电池,但是这些公司的产品都处在开发或测试阶段;Pellion公司自2月以来已经向至少一个客户出售了此类电池产品。

Pellion公司开发的电池与传统锂离子电池能量密度相比提高近一倍。例如,它可以使无人机在空中飞行时间增加一倍。与电池行业目前平均每年10%左右的效率改善相比,其能量密度增加100%,这是一个阶跃性变化。如果Pellion公司克服了早期限制,其电池可能在为特斯拉汽车电池充电一次后提供800公里(500英里)的电力,而不是当今400公里的上限。

锂离子电池名称是因为其带电原子,也就是人们常说的“锂离子”。当电池充电和放电时,锂离子在两个电极(阳极和阴极)之间穿梭。

该技术的局限之一是锂离子只能携带一个正电荷。在理论上,简单地使用带有两个正电荷的镁离子意味着在电池中包含更多能量。2011年,麻省理工学院博士后Robert Doe和其当时的导师Gerd Ceder教授创建了Pellion公司,其目标是开发镁离子电池。在两年内,Pellion公司的实验室开发出一个工作原型,但它有很多问题。尽管镁离子电池工作正常,但在充电和放电等简单事情上,它却无法与锂离子电池匹敌。

Pellion公司首席运营商 Eaglesham表示,“我们拥有世界上最好的镁离子电池,但无法将其变成一种引人注目的产品。”然而,Eaglesham注意到,在构建工作原型的过程中,Pellion公司已经解决了行业长期存在的可充电电池挑战之一:如何安全地将金属放置在阳极上。

锂和镁等富含能量的金属往往具有高度活性。当一块电池充满能量密集的电解液时,会使系统更加危险。还记得爆炸的三星Galaxy Note 7吗?


 
这就是为什么典型锂离子电池使用由石墨制成阳极的原因。但是石墨阳极每六个碳原子只能储存一个锂原子,而完全采用由锂原子制成的阳极代替石墨,也就是锂金属阳极,并将为电池节省了大量空间。

在今年1月发表的一项研究报告中,美国能源高级研究计划局(ARPA-E)项目总监Paul Albertus使用这张图片来说明锂金属电池的能量密集程度:


 
Eaglesham向Pellion的新同事提出这样的观点,如果他们找到了一种安全使用金属阳极的方法,与其绞尽脑汁克服镁离子电池的缺陷,不如转向研究锂电池。这样,他们可以利用锂离子电池30多年的技术与经验来解决一些微小而重要的问题,如充电一致性或电压波动,同时仍然可以制造能量密集型电池,并在蓄电池行业的创新方面取得进展。

火灾的评判

科学家们早就认识到,锂金属成为负极在理论上会产生更多的能量。事实上,20世纪70年代石油巨头埃克森公司开发的第一个锂离子电池阳极含有锂金属(埃克森公司当时正在研究电池技术,因为担心终有一天石油将会耗尽。)该公司开发了一次性使用的锂金属电池,并实现商业化,甚至现在也用在专门的应用,如深海钻探。

可充电锂金属电池的商业化是一个更大的挑战。在20世纪80年代,加拿大创业厂商Moli Energy公司是第一个成功推出这种产品的公司。但其电池产品频繁起火,该公司不得不进行召回。这些事件导致法律诉讼,Moli Energy公司被迫宣布破产。

在可充电电池中使用锂金属会产生三大问题:首先,它可能和任何物质发生反应:水、氧气,甚至氮气(所有这些都存在于空气中),使其更容易着火。

其次,锂的活性意味着将与电池的液体电解质发生副反应,液体电解质本身就是一种富含能量的介质。这些不良反应减少了可用的锂,并且每次充放电循环都会使电池寿命恶化。

第三,当锂金属电池放电时,锂离子从阳极表面分离并移动到阴极。当电池充电时,相同的离子返回并作为锂金属沉积在阳极上。但是,锂金属并不是在阳极上形成良好的光滑涂层,而是产生“枝状” 晶体,即从阳极表面生长的锂原子链,其看起来像树枝。枝状晶体随着每次充放电循环而增长,最终到达阴极,并导致电池短路,导致火灾。

由于该行业在20世纪80年代后期遇到了这些问题,索尼公司发明了石墨阳极。虽然其能量密度较低,但它可以使锂电池更安全、更可靠。从那时起,石墨阳极一直是该行业的主流技术。

然而,将近30年后,人们正在努力克服石墨阳极的局限性。电动汽车和电动飞机等下一代应用将需要具有相同能量但重量轻得多的电池,其体积更小。许多公司正在竞相开发革命性电池阳极技术,风险资本家正在对此进行投资,以期赢得这个赌注。


 
无人机所拍摄的Pellion公司团队在马萨诸塞州沃本总部的照片。Dave Eaglesham站在前列。
 
零锂状态

为了抵消锂的高反应性,一些电池开发商尝试采用额外的安全措施,以防止锂与电池内的水、氧气或氮气直接接触。这不可避免地增加了制造成本。

一些客户(例如商用无人机用户)愿意支付这种溢价。但Eaglesham认为这也意味着这样的电池制造商没有能够扩展到细分市场以外的业务。

根据Eaglesham的说法,即使以某种方式控制成本,内置锂金属的电池也不太可能通过安全测试。这些测试旨在将电池置于极端但却是实际情况的条件下:将钉子刺入电池(可能发生在车祸中),或将其加热到50°C以上或122°F(温度)(汽车或无人机内容很容易达到的温度)。

该行业充斥着制造锂金属电池但失败的公司的例子。例如,总部位于亚利桑那州的Sion Power公司开发一种锂硫电池(阳极是锂金属,阴极是硫磺),用于记录无人驾驶自动驾驶汽车。但它在达到商业规模生产之前放弃了这项技术。而该公司仍在努力开发锂金属电池,但使用不同的阴极。


 
Pellion公司正在组装电池组
 
这就是为什么Pellion公司开发生产电池不是从锂金属内部开始的原因。相反,其电池制造方法与传统的锂离子电池完全相同,其中包括使用液体电解质,广泛使用的阴极和采用铜片的阳极。这一点至关重要,因为它允许Pellion公司利用亚洲现有的锂离子电池工厂进行生产,而其制造电池成本要低得多。

在放电状态下,Pellion公司电池的锂离子紧贴在阴极内部。当电池第一次充电时,锂离子从阴极流出,在铜阳极上沉积成锂金属层。第一次充电是在电池与外部环境完全密封的状态下进行的,因此保护了新形成的锂金属层。这种结构称为“零锂”或“无锂”。

“这是一个了不起的壮举。”卡内基梅隆大学电池专家Venkat Viswanathan说。另一位专家称其为锂金属电池的“圣杯”。

市场利基市场之王

Pellion公司开发的电池确实有局限性。通常需要三个小时才能完全充电,而且价格也不便宜。虽然专家表示Pellion开发的电池印象深刻,但许多人表示担心生命周期有限:它只能保证50次充放电生命周期。

这远远低于智能手机电池所需的大约300个充放电生命周期或电动汽车所需的1000个充放电生命周期。Eaglesham表示,该公司最新开发的电池已经超过50次充放电生命周期。但Viswanathan认为,从50个充放电生命周期上升到500个,这比Pellion公司到此为止所取得的成就要困难得多。加州创业厂商PolyPlus公司首席执行官Steven Visco对此表示认同,他认为使用Pellion电池所用的液体电解质从根本上限制了锂金属电池可以实现的生命周期。

阿贡国家实验室首席电池研究员Venkat Srinivasan说:“电池初创公司很难为早期产品找到客户。而Pellion已经开始为客户提供产品,这是一个成就。”而一些锂金属电池初创厂商Sion Power、PolyPlus、Solid Energy Systems和Ion Storage Systems表示,它们的产品正处于验证阶段,并向客户和第三方测试人员测试采用其工程原型产品。还有一些公司对此拒绝发表评论。

Eaglesham说,交付锂金属电池产品是一项“重大突破”。Pellion公司第一批客户是商用无人机制造商,该公司于今年2月开始销售其电池,并预计到年底将有数百万美元的收入。

“当前的电池技术低估了无人机市场潜力。”Eaglesham说,“我们发现,有些用户渴望更长的飞行时间,所以电池充放电的寿命周期并不那么重要。”

电池公司目前最大的市场是电动汽车市场。彭博新能源金融公司预计,2025年销售的所有汽车中,10%将是电动汽车。为满足这一需求,电池行业的规模将增加五倍,每年可生产价值约600亿美元的电池。

鉴于这些限制,Eaglesham表示还没有考虑进入电动汽车市场。但其电池规格使其成为一个很好的候选者。相比之下,像特斯拉公司的电动汽车中锂离子电池的能量密度为每升600瓦时(Wh/l)和每千克220瓦时(Wh/kg)。 Pellion公司的数字几乎翻了一番:达到了1,000Wh/l和400Wh/kg。Eaglesham说,电池技术的飞跃使得这家初创公司能够从Khosla Ventures和Motorola Solutions等公司获得数千万美元的投资。

超越炒作

作为一个快速发展的行业,蓄电池行业将会产生更大规模元的公司,众所周知,电池开发者通常可以秘密运营,对其技术保密。但这意味着如果没有适当的第三方验证,很难将事实与炒作区分开来。这就是为什么这么多看起来具有很大发展前途的电池创业公司在过去十年中破产的原因。

例如,Envia公司是2012年的美国先进能源计划(ARPA-E)皇冠上的珠宝。 Envia公司表示其开发的锂离子电池的能量密度大幅提升,从而降低电动汽车的成本。它甚至说服通用汽车公司签署协议并投资数百万美元。当时,这家汽车巨头迫切需要为2016年上市的下一代雪佛兰Volt汽车推出一款新电池。而在筹集近3000万美元并投入运营10年后,Envia电池运营方面出现亏损,并于2017年倒闭。

所以Pellion公司开发的技术需要实践验证。而Eaglesham表示,该公司的客户已经验证了其技术,但他以保密协议为由没有透露客户的名称。

Eaglesham以前是First Solar公司首席技术官,该公司在脱离太阳能电池业务方面证明了自己的成功。联合创始人Gerd Ceder现在是Pellion公司董事会成员,他说Eaglesham在Pellion取得了成功,因为他在商业和技术方面都很擅长。

“电池商业化是一个非常困难的问题,大多数电池初创公司都倒闭了。”Ceder说。“这些公司都是由首席执行官经营的,他们都在倒闭之前在筹集资金并加大赌注,而Pellion公司则没有这么做。”
 
标签: 锂电池 原创

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