再不重视动力电池研究,就别提中国电动汽车弯道超车了

车林独侠

【第一电动网】(特约作者 车林独侠)前几天,第一电动网发布了一篇名为《中国电动汽车要弯道超车 BMS(电池管理系统)必须攻克》的文章,本人认为其观点值得商榷。因为没有高性能的电池,BMS再先进也无用,并且电动汽车可采用多种电池、多种储能系统,各种系统不同,需要不同的BMS,不可能一种BMS包打天下。目前影响电动汽车的安全性、续航里程、充电速度以及制造成本的关键因素都是电池,电池才是电动汽车的瓶颈!

10月22日在京召开的全国节能与新能源汽车产业发展推进工作座谈会上,国务院副总理马凯指出“从供给和需求两方面发力,加快动力电池革命性突破”,“要抓住动力电池这个核心,明确近期发展路线,实施锂电升级工程,推动电池技术早日实现革命性突破”。大家都在呼唤“超级电池”在哪里?如果因为“电池基本上是材料科学,属于基础研究领域”,“从实验室到商业化路途漫长”,而急功近利放弃电池的研究,中国的电动汽车永远不可能实现弯道超车。

再不重视动力电池的研究,就别提中国电动汽车弯道超车了

国外在电池技术方面比中国领先,是指目前的锂电池。在新一代“超级电池”方面,国外也还在探索。 第一电动网还发布过《“超级电池”在哪里?》一文,文中说的五大电池技术商业前景可期,这是真的吗?为此作了一些调查。

1、 关于蒋业明的半固态锂液流电池和nanoFLOWCELL的液流电池

《要做“超级电池”的,不仅仅是特斯拉,还有华人蒋业明》一文中提到,蒋业明在麻省理工(MIT)的平台上与风投资本合作,先后创办了4家初创公司,其中最近的一家就是做电池的24M。最初,蒋业明提出的解决方案是液流电池。

液流电池系统中通常包含两个容器,其中储存着液体化学溶剂,形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分为发电区,以一个薄膜隔开。这两种化学溶剂,从它们所在容器流动到发电区,隔着薄膜产生离子交换,进行放电或储电。增加锂电池的容量有两条路:一是增加电池芯数量,二是增加能量密度。增加电池芯数量的话,镍和钴等金属的消耗将同比例增加,边际成本很高。而要增加液流电池的容量只需连接更大的液体仓,成本很低。缺点就是体积太大,因为液流电池的能量密度远远低于锂电池。

再不重视动力电池的研究,就别提中国电动汽车弯道超车了

蒋业明想为何不用锂电池的化学成分来造液流电池呢?这种结合的产物将拥有比液流电池更小的体积,比锂电池更低的生产成本。于是他把这个课题交给了一位本科生Mihai Duduta,仅仅一个月后,Duhata拿出了第一个工作原型。如此惊人的速度让所有人吃了一惊,蒋业明随即向投资人展示了原型,并获得了1250万美元的投资。有了弹药,24M开工了。只是,画面太美,世界把 24M当成了挑战风车的唐吉坷德。新概念走向死胡同!

24M的一个小实验吸引了他们的注意力。蒋业明要求团队生产一些锂离子静态电池作为对照,结果非常令人意外。他们用液流电池的泥浆制作了一些静态电池,并对它们进行数百次的充放电,电池容量竟然惊人地稳定。这一现象让一些年轻的员工,包括立下汗马功劳的Duduta,对液流电池产生了怀疑。这些年轻人不像蒋业明那样痴迷于液流电池,他们开始认为静态的电池才是正确的出路。

24M液流电池的成败,取决于能否找到合适的储液罐尺寸,来使液流电池的生产成本降到静态电池(static battery)之下。而直至2010年末,团队仍然没有找到这个“盈亏平衡点”。两派观点各执一词,蒋业明不认为“平衡点”是个问题,而他多年的合作伙伴Craig Carter却坚持要找到这个平衡点。Carter招来一个小伙子Jeff Disko,以不找到不罢休的精神,开始死磕各项参数。接下来的两周时间里,Disko加班加点对数据进行整理,Carter则做了个软件,用于对电池参数进行可视化展示。两周后,他们终于找到了那个平衡点。结果是,要与化石能源竞争,锂离子液流电池将需要一个巨大的液流仓。要多大?大概相当于一座核电厂那么大。这样的结果,不但Carter和Disko不敢相信,对于整个团队来说都是难以接受的。他们反复对数据进行核对,“不可能”的答案反复呈现。于是2011年初的一次会议上他们向团队展示了研究结果:除非是要为一座城市供能,否则还是用静态电池比较划算。

与许多初创公司一样,当初灵机一动的点子都会死在商业化的道路上。开完会两天后,蒋业明宣布放弃液流电池,公司将研发一种静态电池,24M把做过的事情归零。

列支敦士登的nanoFLOWCELL的液流电池,也存在在蒋业明的液流电池相同的问题——体积过大。在电动汽车上,不是将原型车中200升体积的电池仓,扩充至800升就可续航1000公里这么简单。

2、关于固态电池

《三种改变世界的电池技术》中介绍了Sakti3的固态电池,“固态电池拥有多种类型,但它们的共同之处是放弃了锂离子电池当中可燃性很高的液态电解质,转而使用了其他材料——通常是金属混合物——来在电极之间传导电子和产生电能。”“由于内部不含液体,固态电池也就没有必要被加入绝缘层和其他安全措施,因此这种电池的体积和重量相比锂电池有所降低,同时适应能力更强。对于电动汽车厂商来说,这些都是颇具吸引力的优势。”

众所周知,锂电池的电解质只是锂离子的导体,不能储能。锂电池的电解质也不会是“金属混合物”,因金属不可传导离子。液态的电解质改变为固态电解质,如使用的电解质总量不变,也不可能提高电池的能量密度。仅仅是减少绝缘层和其他安全措施而降低的非储能材料的重量是有限的,因而由此提高的能量密度也不会多。

Sakti3已经吸引到了来自知名企业的投资,比如通用汽车。QuantumScape也是一家固态电池技术公司,但他们的技术据传和Sakti3较为类似。其实,采用高能存储材料才是Sakti3电池的关键:有报导“Sakti3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”,使“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”。

特别策划 | “超级电池”在哪里?五大技术商业前景可期

从照片中可以看到,Sakti3超薄电池单体是长×宽约200×100mm2的矩形薄片,厚度约1mm,电池两表面已制备有有金属光泽的电极,估计为铝箔。

Sakti3使用的“高能存储材料”是什么材料,固体电解质是什么材料?众所周知,目前已知的可用于电池的“高能存储材料”只有锂硫化合物和锂硅化合物两类。当电极箔表面分别制备锂硫化合物膜和锂硅化合物膜作正极和负极,采用能够供锂离子迁移的膜作电解质,即可成为单体电池。

目前国内外研究的锂硫化合物和锂硅化合物电池,都是按现有的电池结构制造,受制于活性层充放电膨胀脱落和负离子的流失,电池寿命短。国内外的研究者采取的解决方案,都不外乎是将存储材料外包覆保护壳后制活性层,或是将活性层制备成多层三明治型。

作者在一发明中指出:作电解质供锂离子迁移的膜,可采用导电聚合物阳离子膜。导电聚合物阳离子膜包覆于锂硫化合物或锂硅化合物膜表面,可成为防止负离子流失的保护膜,可解决电池的寿命问题。Sakti3单体电池的固态结构,有利于解决活性层充放电膨胀脱落的问题。将多个Sakti3单体电池并联即可制备得高电压的动力电池。

Sakti3的优点在于:可采用现有的涂布设备制备单体电池,也可采用3D打印制备单体电池。Sakti3的不足在于:电池电极的面积小,鉴于锂硫化合物和锂硅化合物的电子导电性和离子迁移性差,于电极膜表面制备的储能膜不能太厚,致储能膜的实际体积小、活性材料的量少。若电极和电解质膜的质量在电池中占比过大,将影响电池的储能密度。成功的关键在于采用重量极轻的电极箔和电解质膜,但更重要的还是如何增加储能膜的厚度,看来Sakti3已成功地解决了此问题。我也对找到了解决这个问题的好办法。

大众汽车“目前焦点主要聚集在将现有锂离子电池升级版方案,以及固态电池技术两个方向”,虽然没有提及具体的技术内容,估计大众的固态电池应与Sakti3类似。

但是,还有一种固态电容器也可用于电动汽车作高密储能器。《三种改变世界的电池技术》一文中提到:“目前,美国能源部能源高级研究计划局(ARPA-E)就正在测试两个不同的固态电池项目,其一是锂离子固态电池,另一个则完全不使用锂。”这一“完全不使用锂”的“固态电池”作者估计就是固态电容器,因为非锂材料的储能密度小,难以成为电池的“高能存储材料”。

众所周知电容器比电池在安全性、使用寿命、充电速度和管理等方面更有优势。通用汽车瞩目的“固态电池”,其实是一种高储能密度的固态电容器。2008年通用汽车曾入股EEStor公司取得9.8%的股权。而EEStor研究的就是高储能密度的固态电容器。国内有储能权威和专业网站将EEStor电容器归于“超级电容器”类,其实EEStor电容器采用高介电常数材料储能,为标准的法拉第电容器,可按法拉第电容器原理设计。所谓“超级电容器”靠正负电极对垒储能,为非法拉第电容器。

EEStor电容器能够成为高储能密度的电容器,是因其介电质膜的介电常数达19818,膜的电场强度达350 V /μm,膜的厚度可保证电容器的工作电压达3500V。按法拉第电容器原理即可计算出其储能密度,EEStor号称达280Wh/kg。中科院也对此类电容器进行了研究,所制备的介电质膜的介电常数比EEStor更高。但是至2009年后已无EEStor的新报道,有传是奥巴马下令将此技术列入了美国国家机密。

单体EEStor电容器的外形与Sakti3电池相类似,结构为两电极间夹一薄层介电质层。因单体电容器的工作面积小,需将多个单体电容器并联才能得到大储能量,致制备复杂;另外,EEStor电容器设计于3500V电压工作,用于电动汽车存在安全隐患。EEStor介电质膜的材料为560nm粒度的高介陶瓷粒,用4%聚脂粘结成膜,高介陶瓷粒是氧化铝包覆的钛酸钡,对材料的纯度要求达5个9,制备复杂。

本人研究了一种新型高介电常数材料,可制备介电常数高达105的膜。材料制备简便、成本低,已申请发明专利。作者的一个专利还解决了制备大比表面积电容器的难题。因膜的介电常数远高于EEStor介电膜,当采用作者研究的电极制备储能密度高达400Wh/kg的电容器时,电容器工作电压可小于100V,使电容器更适合于作电动汽车的动力储能器。

总结

采用何种技术可大幅提升电池能量密度?即通常所问的“超级电池”在哪里?作者认为,液流电池可用于新能源发电和电网,但不宜用于电动汽车。能用于电动汽车的“革命性突破”的“超级储能器”,只有采用“高能储存材料”大电流工作储能器,或可高电压工作的储能器。高能储存材料锂硫化合物和锂硅化合物制备的固态电池,可称为“超级电池”,而高能储存材料中的高介电常数材料制备的高储能密度固态电容器,因已有正负电极对垒的非法拉第电容器在先称为“超级电容器”,我们只好将其称为“高密薄膜电容器”,以资与传统低密度储能的薄膜电容器相区别;而高工作电压的高储密度能的“超级电容器”,则称为“高密超级电容器”,以资与储能密度小的“超级电容器”相区别。

因而作者提出制备“超级电池”的路线有三个方向:a.“超级电池”;b“高密薄膜电容器”;c.“高密超级电容器”。作者的相关研究成果已申请专利。因这三类“超级储能器”与西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的“超级电池”一样,圴使用了石墨烯,因而作者还专门研究了低成本、快速制备还原态石墨烯的技术与之配套,低成本、快速制备还原态石墨烯的技术也已申请专利。

中国的“动力电池革命性突破”的路线图在哪里?中国电动汽车百人会人材济济,资金雄厚,但没见有人提出一个路线图(也有可能已提出但保密不公开)。但是还有人怀凝西班牙的“超级电池”是否存在,一些权威还把提高电池储能密度寄希望于现有的磷酸铁锂和三元锂电池的改进。中国今年已有几百亿资金投入动力电池扩产,一方面是因为动力电池市场紧缺,但也是赌几年内“动力电池革命性突破”还不可能出现。

现在该是选定方向,集中人力、物力向“动力电池革命性突破”发起进攻的时候了。再拖下去,中国电动汽车将会完全失去弯道超车的机会。

作者:车林独侠

来源:第一电动网

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