特别策划 |“超级电池”在哪里?五大技术商业前景可期

杨晓红

电池续航力的提升决定着电动汽车的命运,科研人员在追求化学与材料的新发现,车企与电池供应商在合力降低成本增加能量。在不断涌现的新技术中,替代锂离子化学成分的各种研究大量投入,有一些成为了热门应用和解决方案。

一、五大电池技术商业前景可期(第一页)

二、为何电池技术就是没有突破?(第二页)

三、手机电池貌似提高很快,动力电池呢?(第三页)

四、电池成本降速比预期快 3年内降到230美元/千瓦时(第四页)

一、五大电池技术商业前景可期

1.麻省理工学院:半固态锂液流电池

美国麻省理工学院的研究人员与一家名为24M的衍生公司合作,开发出一种制造锂离子电池的先进工艺:半固态锂液流电池,不仅有望显著降低生产成本,还能提高电池性能,使其更易于回收。

24M公司的创始人是麻省理工学院教授、A123电池公司前创始人之一蒋业明。蒋业明这个名字在电池界很知名,在全球材料科学家中排名66位。算是电池行业的世界顶级专家。他除了搞磷酸铁锂电池以外,还与同事于5年前提出了“半固态液流电池”概念,这些年他一直在做商用努力。

人们不断寻找正极和负极材料,提升能量密度,干电池、镍镉电池还是锂电池,无论材料怎么升级,传统电池对活性物质的利用率很低,能够产生电能的物质被包裹在必须的非活性物质之中。在常见的锂电池里面,锂材料只含电池重量的2%左右,这些非活性物质增加了电池成本,降低了活性物质的利用率。因为传统电池的这些弱点,诞生了液流电池。液流电池可以视为一个独立的大电池,正负极电解液分别存放,集中反应产生电能。这样无需昂贵的附加材料,可以大大提升效率。

既然液流电池这么好,效率这么高,为什么还没有被广泛采用呢?因为液流电池的缺点也很多。目前液流电池的浓度有限制,虽然理论上效率比传统电池要高,但是溶液浓度低、能量密度和功率密度并没有优势,价格也不算便宜。溶液本身能量密度就低,再加上装溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加装置,液流电池整个系统综合算下来效能就更差。

所以,蒋业明开发出来了半固态锂液流电池。这种液流电池不用溶液,用细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆。因为这种泥浆的能量密度可以做的比溶液高,于是液流电池的大容量优势就有了,在蒋业明在麻省理工写论文的时候,他的半固态液流电池的能量已经可以达到500WH/L。

这种电池的原理其实很简单。电极是细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆,电池使用两束泥浆流,一束带正电,一束带负电,两束泥浆都通过铝集电器和铜集电器,两个集电器之间有一个能透水的膜。当两束泥浆通过膜时,会交换锂离子,导致电流在外部流动。为了重新给电池充电,只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。这样,它的正极负极的材料利用率比传统电池高的多,只要一层膜就够了,用的各种材料也比传统电池便宜的多。而且,半固态锂液流电池可以做成柔性的(可以想象成塑料袋包着两团泥浆),不仅可弯曲、折迭,即使被子弹穿过也不会受损,安全性耐用性都有很大优势。

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半固态液流电池

理论上,半固态锂液流电池的能量密度更高,价格更低,更安全,具有美好的前景。但是,这种东西的原理和结构与现在的电池完全不同,生产线设计、质量控制、测试标准、量产工艺这些东西都得从头摸索。于是,这些年蒋业明的24M公司就一直在做从实验室到量产的事情,解决新结构电池量产中遇到的各种问题,逐渐形成了一条手工生产线。到后来,他们手动生产一块手机电池大小的单元只需6分钟。经过摸索,团队对生产工艺反复改进,最终打造出了工业化生产平台,让电池的能量密度和生产速度都发生了质的变化。

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24M公司已经在原型生产线制造了约10000块这样的电池,部分正在接受3个工业合作伙伴的测试,包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI株式会社。新工艺已获得8项专利,另有75项专利正在接受评审。下一步,蒋业明准备启动第三轮融资,新的资金将用于研发一种机器,能在2-10秒内产出一个电芯。这说明,半固态液流电池已经到了大规模测试阶段了,这个阶段过了就是大规模量产了。

液流电池的成本优势、安全优势、容量优势,在我们日常使用的手机、平板上并不突出。反而,这种容量大、便宜、安全性好的电池却是新能源汽车与家庭储能的绝配。电动汽车一旦用上这种电池,价格立即就能平易近人,续航里程也会更长,而且这种电池更安全,不怕普通的碰撞,这对电动车的安全性很有好处。

半固态锂液流电池也许真的能闹一场电池革命,也许只要3-5年,电动汽车的世界就会完全不同。(本节部分摘自雷锋网)

2.nanoFLOWCELL:液流电池可续航1000公里

在3月5日开幕的第85届日内瓦车展上,中欧小国列支敦士登的nanoFLOWCELL不仅带来续航800公里的QUANT F电动超跑,除了酷炫的外表,最大亮点就是采用了锂离子液流电池作为性能电动超跑的推动力,续航里程高达800公里。第一辆原型车最早将在2015年上路行驶。

nanoFLOWCELL纯电动跑车QUANT F续航800km 低电压汽车续航1000km

QUANT F电动超跑

液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合,相比为当今电动汽车提供动力的锂离子电池技术而言,其性能高出4倍。新型液流电池除了在价格和行驶里程上具有显著优势外,还比目前汽车上使用的电池更加安全,更容易融入汽车设计中去。

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液流电池工作原理

液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合。液体电解质存在于两个电池仓中并经过电池流通。系统中心有一层隔膜将两个电解质解决方案分隔,但仍能容许电荷流通,从而为动力系统制造动力。该系统的优势之一在于其采用体积较大的电池仓,也就意味着有着更高的能量密度。600V额定电压和50A额定电流下,该系统能不断输出30千瓦的最大功率。相比为当今电动汽车提供动力的锂离子电池技术而言,性能高出4倍,也就是说它的可行驶里程是同等重量传统元件的5倍。

QUANT F原型车中搭载了体积为200升的电池仓,储容量为120千瓦时。该车在低负载条件下,百公里能耗约为20千瓦时。公司表示,今后有望将电池仓的体积扩充至800升。车内配备了4台持续功率为120千瓦、峰值功率为170千瓦的电机,可通过扭矩分配实现四驱驾驶,也能作为车内两个超级电容器的备用能量储蓄装置。每个车轮单独峰值扭矩可达到2900牛·米。百公里加速耗时仅需惊人的2.8秒。

3.Sakti3固态电池技术突破 电动车里程翻倍至近800公里

座落在美国密歇根州第六大城市安娜堡的锂电池初创公司Sakti3近日获得了英国家电巨头戴森(Dyson)1500万美元的投资,这家专门从事锂电池研发的创业公司手中握有一项绝技,那就是Sakti3研发的电池能量密度达到每升1000瓦时,这是目前普通锂电池的两倍,智能手机、笔记本电脑和电动汽车的电池性能将因此大大提高。

Sakti3电池能让电动车里程翻倍 英国富豪戴森来投资

Sakti3实验室里的超薄电池原型进行测试

Sakti3的神秘电池使用了新型材料和生产技术,实现更高的能量密度,他们声称可以存储每升1000瓦时,电动车的续航里程能从256英里提升到480英里(约772公里),制造成本低,充放电速度快,更环保,而且比有些标准更安全。这项技术弃用了传统锂电池中的可燃液体电解质,通过其高能存储材料实现技术进步,最重要的是,它的价格更低,每千瓦时约100美元,要远低于目前200到300美元的市价,未来能够应用于受限于成本和里程限制的电动汽车。

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目前,Sakti3的锂电池技术在处于研发阶段,距离商品化还需要“数年”。很多电池初创公司都在努力将实验室技术转化成真实商品,但是一直也没有重大突破,部分原因在于他们的原型产品是定制的,需要使用昂贵的制造技术,难以批量生产。而Sakti3的原型产品则采用了标准生产设备,经过完善升级,实现商业化的可能很大。

4.大众汽车:电池成本下降 能量密度提高

大众汽车集团首席执行官马丁·文德恩(Martin Winterkorn)日前透露,公司正在开发“超级电池”(Super-battery),可大幅提升电动车续航里程,当下接近在新电池技术上取得突破。

文德恩在接受德国媒体采访时表示:大众正在加利福尼亚州硅谷研发一款超级电池,新电池价格更低,体积更小,动力更强劲。一款电动版大众品牌车型(在搭载超级电池后)纯电动续航里程有望达到300公里(186英里)。

大众超级电池将问世 电动车续航里程翻倍

大众e-Golf电动车

那么,大众将采用何种技术大幅提升电池能量密度?并且显著改善电动车续航里程?目前焦点主要聚集在现有锂离子电池升级版解决方案,以及较新颖的固态电池技术两个方向。

在成本降低方面,大众汽车品牌董事会成员主管研发业务的Heinz-Jakob Neusser透露,目前正计划统一电池组规格,希望未来所有的电气化车辆可以转向单一的锂离子电池单元设计。统一规格必然将会带来成本的下降,目标是通过简化电池单元设计降低66%的电池成本。

5.LG Chem电池新技术 让电动车能跑500公里

韩国电池巨头LG Chem宣布开发出新技术,电动车充电一次可行驶400-500公里,里程加倍,预计2017年就能量产。

目前,一般电动车充电后仅能行驶不到200公里。LG Chem副会长兼首席执行官朴镇洙(Park Jin-soo)表示,该公司已研发出新技术,电动车行驶里程能增至400-500公里,产品不久就将投产,但是拒绝透露更多细节。而LG Chem动力电池事业部掌门人Prabhakar Patil近日接受外媒专访时预计,2017年LG化学会再次取得重大技术突破,这比他原来预期的快,“到2017年或2018年,3万美元、续航200英里(约321公里)的电动汽车将成为商业化主流产品。”虽然通用汽车公司还没有证实即将推出的2017款雪佛兰BOLT纯电动汽车是否会使用LG化学的电池,但业内已普遍认为会是这样。

成本与材料!看LG化学如何成全球最大锂电池供应商

雪佛兰BOLT纯电动汽车

作者:杨晓红

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