中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池續(xù)航力的提升決定著電動(dòng)汽車(chē)的命運(yùn)，科研人員在追求化學(xué)與材料的新發(fā)現(xiàn)，車(chē)企與電池供應(yīng)商在合力降低成本增加能量。在不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)中，替代鋰離子化學(xué)成分的各種研究大量投入，有一些成為了熱門(mén)應(yīng)用和解決方案。
一、五大電池技術(shù)商業(yè)前景可期
1.麻省理工學(xué)院：半固態(tài)鋰液流電池
美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員與一家名為24M的衍生公司合作，開(kāi)發(fā)出一種制造鋰離子電池的先進(jìn)工藝：半固態(tài)鋰液流電池，不僅有望顯著降低生產(chǎn)成本，還能提高電池性能，使其更易于回收。
24M公司的創(chuàng)始人是麻省理工學(xué)院教授、A123電池公司前創(chuàng)始人之一蔣業(yè)明。蔣業(yè)明這個(gè)名字在電池界很知名，在全球材料科學(xué)家中排名66位。算是電池行業(yè)的世界頂級(jí)專(zhuān)家。他除了搞磷酸鐵鋰電池以外，還與同事于5年前提出了“半固態(tài)液流電池”概念，這些年他一直在做商用努力。
人們不斷尋找正極和負(fù)極材料，提升能量密度，干電池、鎳鎘電池還是鋰電池，無(wú)論材料怎么升級(jí)，傳統(tǒng)電池對(duì)活性物質(zhì)的利用率很低，能夠產(chǎn)生電能的物質(zhì)被包裹在必須的非活性物質(zhì)之中。在常見(jiàn)的鋰電池里面，鋰材料只含電池重量的2%左右，這些非活性物質(zhì)增加了電池成本，降低了活性物質(zhì)的利用率。因?yàn)閭鹘y(tǒng)電池的這些弱點(diǎn)，誕生了液流電池。液流電池可以視為一個(gè)獨(dú)立的大電池，正負(fù)極電解液分別存放，集中反應(yīng)產(chǎn)生電能。這樣無(wú)需昂貴的附加材料，可以大大提升效率。
既然液流電池這么好，效率這么高，為什么還沒(méi)有被廣泛采用呢?因?yàn)橐毫麟姵氐娜秉c(diǎn)也很多。目前液流電池的濃度有限制，雖然理論上效率比傳統(tǒng)電池要高，但是溶液濃度低、能量密度和功率密度并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，價(jià)格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上裝溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加裝置，液流電池整個(gè)系統(tǒng)綜合算下來(lái)效能就更差。
所以，蔣業(yè)明開(kāi)發(fā)出來(lái)了半固態(tài)鋰液流電池。這種液流電池不用溶液，用細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因?yàn)檫@種泥漿的能量密度可以做的比溶液高，于是液流電池的大容量?jī)?yōu)勢(shì)就有了，在蔣業(yè)明在麻省理工寫(xiě)論文的時(shí)候，他的半固態(tài)液流電池的能量已經(jīng)可以達(dá)到500WH/L。
這種電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。電極是細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束泥漿流，一束帶正電，一束帶負(fù)電，兩束泥漿都通過(guò)鋁集電器和銅集電器，兩個(gè)集電器之間有一個(gè)能透水的膜。當(dāng)兩束泥漿通過(guò)膜時(shí)，會(huì)交換鋰離子，導(dǎo)致電流在外部流動(dòng)。為了重新給電池充電，只需要施加電壓讓離子后退穿過(guò)膜即可。這樣，它的正極負(fù)極的材料利用率比傳統(tǒng)電池高的多，只要一層膜就夠了，用的各種材料也比傳統(tǒng)電池便宜的多。而且，半固態(tài)鋰液流電池可以做成柔性的(可以想象成塑料袋包著兩團(tuán)泥漿)，不僅可彎曲、折迭，即使被子彈穿過(guò)也不會(huì)受損，安全性耐用性都有很大優(yōu)勢(shì)。
理論上，半固態(tài)鋰液流電池的能量密度更高，價(jià)格更低，更安全，具有美好的前景。但是，這種東西的原理和結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在的電池完全不同，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)工藝這些東西都得從頭摸索。于是，這些年蔣業(yè)明的24M公司就一直在做從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的事情，解決新結(jié)構(gòu)電池量產(chǎn)中遇到的各種問(wèn)題，逐漸形成了一條手工生產(chǎn)線。到后來(lái)，他們手動(dòng)生產(chǎn)一塊手機(jī)電池大小的單元只需6分鐘。經(jīng)過(guò)摸索，團(tuán)隊(duì)對(duì)生產(chǎn)工藝反復(fù)改進(jìn)，最終打造出了工業(yè)化生產(chǎn)平臺(tái)，讓電池的能量密度和生產(chǎn)速度都發(fā)生了質(zhì)的變化。
24M公司已經(jīng)在原型生產(chǎn)線制造了約10000塊這樣的電池，部分正在接受3個(gè)工業(yè)合作伙伴的測(cè)試，包括泰國(guó)的一家石油公司和日本重型設(shè)備制造商IHI株式會(huì)社。新工藝已獲得8項(xiàng)專(zhuān)利，另有75項(xiàng)專(zhuān)利正在接受評(píng)審。下一步，蔣業(yè)明準(zhǔn)備啟動(dòng)第三輪融資，新的資金將用于研發(fā)一種機(jī)器，能在2-10秒內(nèi)產(chǎn)出一個(gè)電芯。這說(shuō)明，半固態(tài)液流電池已經(jīng)到了大規(guī)模測(cè)試階段了，這個(gè)階段過(guò)了就是大規(guī)模量產(chǎn)了。
液流電池的成本優(yōu)勢(shì)、安全優(yōu)勢(shì)、容量?jī)?yōu)勢(shì)，在我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、平板上并不突出。反而，這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車(chē)與家庭儲(chǔ)能的絕配。電動(dòng)汽車(chē)一旦用上這種電池，價(jià)格立即就能平易近人，續(xù)航里程也會(huì)更長(zhǎng)，而且這種電池更安全，不怕普通的碰撞，這對(duì)電動(dòng)車(chē)的安全性很有好處。
半固態(tài)鋰液流電池也許真的能鬧一場(chǎng)電池革命，也許只要3-5年，電動(dòng)汽車(chē)的世界就會(huì)完全不同。(本節(jié)部分摘自雷鋒網(wǎng))
2.nanoFLOWCELL：液流電池可續(xù)航1000公里
在3月5日開(kāi)幕的第85屆日內(nèi)瓦車(chē)展上，中歐小國(guó)列支敦士登的nanoFLOWCELL不僅帶來(lái)續(xù)航800公里的QUANT F電動(dòng)超跑，除了酷炫的外表，最大亮點(diǎn)就是采用了鋰離子液流電池作為性能電動(dòng)超跑的推動(dòng)力，續(xù)航里程高達(dá)800公里。第一輛原型車(chē)最早將在2015年上路行駛。
液流電池將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各個(gè)方面相結(jié)合，相比為當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的鋰離子電池技術(shù)而言，其性能高出4倍。新型液流電池除了在價(jià)格和行駛里程上具有顯著優(yōu)勢(shì)外，還比目前汽車(chē)上使用的電池更加安全，更容易融入汽車(chē)設(shè)計(jì)中去。
液流電池將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各個(gè)方面相結(jié)合。液體電解質(zhì)存在于兩個(gè)電池倉(cāng)中并經(jīng)過(guò)電池流通。系統(tǒng)中心有一層隔膜將兩個(gè)電解質(zhì)解決方案分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動(dòng)力系統(tǒng)制造動(dòng)力。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一在于其采用體積較大的電池倉(cāng)，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50A額定電流下，該系統(tǒng)能不斷輸出30千瓦的最大功率。相比為當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的鋰離子電池技術(shù)而言，性能高出4倍，也就是說(shuō)它的可行駛里程是同等重量傳統(tǒng)元件的5倍。
QUANT F原型車(chē)中搭載了體積為200升的電池倉(cāng)，儲(chǔ)容量為120千瓦時(shí)。該車(chē)在低負(fù)載條件下，百公里能耗約為20千瓦時(shí)。公司表示，今后有望將電池倉(cāng)的體積擴(kuò)充至800升。車(chē)內(nèi)配備了4臺(tái)持續(xù)功率為120千瓦、峰值功率為170千瓦的電機(jī)，可通過(guò)扭矩分配實(shí)現(xiàn)四驅(qū)駕駛，也能作為車(chē)內(nèi)兩個(gè)超級(jí)電容器的備用能量?jī)?chǔ)蓄裝置。每個(gè)車(chē)輪單獨(dú)峰值扭矩可達(dá)到2900牛˙米。百公里加速耗時(shí)僅需驚人的2.8秒。
3.Sakti3固態(tài)電池技術(shù)突破 電動(dòng)車(chē)?yán)锍谭吨两?00公里
座落在美國(guó)密歇根州第六大城市安娜堡的鋰電池初創(chuàng)公司Sakti3近日獲得了英國(guó)家電巨頭戴森(Dyson)1500萬(wàn)美元的投資，這家專(zhuān)門(mén)從事鋰電池研發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司手中握有一項(xiàng)絕技，那就是Sakti3研發(fā)的電池能量密度達(dá)到每升1000瓦時(shí)，這是目前普通鋰電池的兩倍，智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)的電池性能將因此大大提高。
Sakti3的神秘電池使用了新型材料和生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，他們聲稱(chēng)可以存儲(chǔ)每升1000瓦時(shí)，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程能從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環(huán)保，而且比有些標(biāo)準(zhǔn)更安全。這項(xiàng)技術(shù)棄用了傳統(tǒng)鋰電池中的可燃液體電解質(zhì)，通過(guò)其高能存儲(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，最重要的是，它的價(jià)格更低，每千瓦時(shí)約100美元，要遠(yuǎn)低于目前200到300美元的市價(jià)，未來(lái)能夠應(yīng)用于受限于成本和里程限制的電動(dòng)汽車(chē)。
目前，Sakti3的鋰電池技術(shù)在處于研發(fā)階段，距離商品化還需要“數(shù)年”。很多電池初創(chuàng)公司都在努力將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化成真實(shí)商品，但是一直也沒(méi)有重大突破，部分原因在于他們的原型產(chǎn)品是定制的，需要使用昂貴的制造技術(shù)，難以批量生產(chǎn)。而Sakti3的原型產(chǎn)品則采用了標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過(guò)完善升級(jí)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能很大。
4.大眾汽車(chē)：電池成本下降 能量密度提高
大眾汽車(chē)集團(tuán)首席執(zhí)行官馬丁˙文德恩(Martin Winterkorn)日前透露，公司正在開(kāi)發(fā)“超級(jí)電池”(Super-battery)，可大幅提升電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程，當(dāng)下接近在新電池技術(shù)上取得突破。
文德恩在接受德國(guó)媒體采訪時(shí)表示：大眾正在加利福尼亞州硅谷研發(fā)一款超級(jí)電池，新電池價(jià)格更低，體積更小，動(dòng)力更強(qiáng)勁。一款電動(dòng)版大眾品牌車(chē)型(在搭載超級(jí)電池后)純電動(dòng)續(xù)航里程有望達(dá)到300公里(186英里)。
那么，大眾將采用何種技術(shù)大幅提升電池能量密度?并且顯著改善電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程?目前焦點(diǎn)主要聚集在現(xiàn)有鋰離子電池升級(jí)版解決方案，以及較新穎的固態(tài)電池技術(shù)兩個(gè)方向。
在成本降低方面，大眾汽車(chē)品牌董事會(huì)成員主管研發(fā)業(yè)務(wù)的Heinz-Jakob Neusser透露，目前正計(jì)劃統(tǒng)一電池組規(guī)格，希望未來(lái)所有的電氣化車(chē)輛可以轉(zhuǎn)向單一的鋰離子電池單元設(shè)計(jì)。統(tǒng)一規(guī)格必然將會(huì)帶來(lái)成本的下降，目標(biāo)是通過(guò)簡(jiǎn)化電池單元設(shè)計(jì)降低66%的電池成本。
5.LG Chem電池新技術(shù) 讓電動(dòng)車(chē)能跑500公里
韓國(guó)電池巨頭LG Chem宣布開(kāi)發(fā)出新技術(shù)，電動(dòng)車(chē)充電一次可行駛400-500公里，里程加倍，預(yù)計(jì)2017年就能量產(chǎn)。
目前，一般電動(dòng)車(chē)充電后僅能行駛不到200公里。LG Chem副會(huì)長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官樸鎮(zhèn)洙(Park Jin-soo)表示，該公司已研發(fā)出新技術(shù)，電動(dòng)車(chē)行駛里程能增至400-500公里，產(chǎn)品不久就將投產(chǎn)，但是拒絕透露更多細(xì)節(jié)。而LG Chem動(dòng)力電池事業(yè)部掌門(mén)人Prabhakar Patil近日接受外媒專(zhuān)訪時(shí)預(yù)計(jì)，2017年LG化學(xué)會(huì)再次取得重大技術(shù)突破，這比他原來(lái)預(yù)期的快，“到2017年或2018年，3萬(wàn)美元、續(xù)航200英里(約321公里)的電動(dòng)汽車(chē)將成為商業(yè)化主流產(chǎn)品?！彪m然通用汽車(chē)公司還沒(méi)有證實(shí)即將推出的2017款雪佛蘭BOLT純電動(dòng)汽車(chē)是否會(huì)使用LG化學(xué)的電池，但業(yè)內(nèi)已普遍認(rèn)為會(huì)是這樣。
二、無(wú)法商業(yè)化 為何電池技術(shù)就是沒(méi)有突破?
如果你想要一款加速度體驗(yàn)良好的車(chē)，特斯拉Model S絕對(duì)能滿足你。當(dāng)然，像這樣的電動(dòng)車(chē)不僅能夠帶來(lái)良好的駕駛體驗(yàn)，相比較于傳統(tǒng)汽油車(chē)，它也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。但是，從電動(dòng)車(chē)誕生至今，它都只是占了很小一部分市場(chǎng)份額。主要的原因是電動(dòng)車(chē)的電池昂貴而且需要經(jīng)常充電。可是，為什么電池性能一直以來(lái)都不見(jiàn)起色?
在過(guò)去的數(shù)年中，有無(wú)數(shù)的電池技術(shù)研究取得突破性的進(jìn)展，但是這些當(dāng)中，鮮少能夠被商業(yè)所使用，兌現(xiàn)低成本和多容量的承諾。比如成立于2001年的鋰離子電池初創(chuàng)公司A123 Systems，曾宣稱(chēng)，能將鋰離子電池的磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級(jí)超小顆粒，因顆粒和總表面面積劇增而大幅提電池的放電功率，而且，整體穩(wěn)定度和循環(huán)壽命皆未受影響。但最終于2012年以失敗告終。原因是，不能夠量產(chǎn)它所描述的那些鋰電池，也不能安全有效地轉(zhuǎn)換電量。
2012年，位于美國(guó)加州的電池公司Envia Systems在華盛頓重大的會(huì)議上宣稱(chēng)，研發(fā)出能量密集型電池，單位重量的鋰電池儲(chǔ)存能量是目前電池的兩倍，而且成本降低一半。通用汽車(chē)一聽(tīng)說(shuō)能研發(fā)如此高能電池的Envia，馬上向其投資了700萬(wàn)美元，希望在電動(dòng)車(chē)業(yè)務(wù)上進(jìn)行合作。到了2013年，Envia都沒(méi)有兌現(xiàn)它所宣稱(chēng)的“驚人效果”，導(dǎo)致失去資助資金以及通用汽車(chē)公司的合作伙伴關(guān)系。另外，這家公司也受到美國(guó)高級(jí)能源研究計(jì)劃署ARPA-E的重視。只能說(shuō)，Envia令人印象深刻的電池讓人興奮也讓人落空。
事實(shí)上，在電池行業(yè)中，由于電池技術(shù)的高門(mén)檻，初創(chuàng)公司難以單獨(dú)存活。因此，電池行業(yè)一般都是由大公司主導(dǎo)。 A123 Systems前高管Andy Chu說(shuō)：能量存儲(chǔ)是一個(gè)“大頭”玩的游戲，因?yàn)樵谘邪l(fā)電池中稍有不慎將會(huì)鑄成錯(cuò)誤。雖然我希望電池初創(chuàng)公司最終會(huì)取得成功，但通過(guò)這幾年的歷史，(大家都可以看見(jiàn)，這些公司的)下場(chǎng)都不太好。
在過(guò)去的十年里，我們見(jiàn)證了電池行業(yè)“突破性”的進(jìn)展，但是這些都是來(lái)自大公司的一些穩(wěn)定小進(jìn)步。
Envia的電池是一種新型的鋰離子電池，發(fā)明于70年代末80年代初，商業(yè)運(yùn)用于90年代。它們變成一種便攜式電池，被人們用于電動(dòng)車(chē)上。
早在90年代，通用汽車(chē)在其電動(dòng)車(chē)EV-1上使用廉價(jià)的鉛酸蓄電池，不僅車(chē)輛行駛的里程數(shù)較少，車(chē)上的鉛酸蓄電池也十分笨重。
到了2008年，特斯拉引進(jìn)鋰離子電池的電動(dòng)車(chē)，雖然里程數(shù)比EV-1多了，但是價(jià)格昂貴。于是，有汽車(chē)制造商如日產(chǎn)汽車(chē)和通用汽車(chē)為了降低價(jià)格，打造出里程數(shù)少的電動(dòng)車(chē)，其實(shí)主要減少電動(dòng)車(chē)的鋰離子電池。
如果改變了電池中的某一部分比如引進(jìn)一個(gè)新電極，所帶來(lái)的的問(wèn)題是難以預(yù)見(jiàn)的。有些問(wèn)題甚至需要幾年時(shí)間才能檢測(cè)到。當(dāng)年，為了達(dá)到投資者和ARPA-E的期望，Envia不是融合了一種電極材料而是兩種實(shí)驗(yàn)性的電極材料進(jìn)行研發(fā)。(其實(shí)，Envia還是蠻拼的，只不過(guò)，事情的結(jié)果就這樣罷了)在2006年，Envia授權(quán)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ANL的研究人員研發(fā)一種很有前景的電池材料，但是，一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題出現(xiàn)了：隨著時(shí)間的推移，電池的電壓改變后，它就無(wú)法使用了。盡管ANL的研究人員深入研究這個(gè)問(wèn)題，但原因仍無(wú)法無(wú)法得知。除了這個(gè)，Envia還面臨一個(gè)挑戰(zhàn)：基于硅的電池電極問(wèn)題。研究人員看似解決了這個(gè)問(wèn)題：提出一套無(wú)法在實(shí)際中操作的解決方案。這讓Envia的研究人員們感到十分奔潰。
但是隨著時(shí)間的推移，以上這些大大小小的問(wèn)題都差不多解決的時(shí)候，Envia發(fā)現(xiàn)，電池中復(fù)合材料的微小變化都會(huì)改變整個(gè)電池的性能。當(dāng)然，Envia認(rèn)為最終不能實(shí)現(xiàn)驚人效果的結(jié)果，是因?yàn)樗麄兊碾姵夭牧瞎?yīng)商中有某些污染材料。當(dāng)然，這個(gè)污染來(lái)自哪里是什么，似乎也沒(méi)有人知道。
其實(shí)，Envia的故事很鮮明告訴大家，電池的進(jìn)展包括性能與成本，不是來(lái)自突破性技術(shù)，而是來(lái)自像特斯拉與其電池供應(yīng)商松下的密切合作關(guān)系。自從08年以來(lái)，特斯拉的電池成本降低一半，電容量增加60%。特斯拉并沒(méi)有刻意去改變電池的化學(xué)或者材料，而是提高制造效率和改進(jìn)生產(chǎn)。還與松下一起根據(jù)汽車(chē)的需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姵貎?yōu)化。
雖然很難想象特斯拉在鋰離子電池上進(jìn)行微調(diào)整獲得持續(xù)性的發(fā)展，因?yàn)殇囯x子電池的進(jìn)步空間并不十分“寬敞”。或許到最終需要像Envia這樣徹底整改，才能獲取電池的跨越性進(jìn)步。不過(guò)，至少Envia告訴我們，提高電池性能必須要密切結(jié)合制造業(yè)和工程技術(shù)，要生產(chǎn)實(shí)際使用的產(chǎn)品。
雖然以上內(nèi)容看似在回顧Envia的歷史，但是這也是電池發(fā)展的一個(gè)縮影。近二十多年來(lái)，科技飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)從電子管元件時(shí)代演變成今天的超大規(guī)模集成電路，往日笨拙巨大的計(jì)算機(jī)如今小到能裝進(jìn)我們的口袋中。而電池，更像一個(gè)后進(jìn)生，遲遲不能跟上發(fā)展的步伐?；蛟S也正是以上這些原因造成現(xiàn)在的局面。(本文來(lái)源：雷鋒網(wǎng) 作者：橙太白)
