麻省理工研究的“半锂固态电池锂液流电池”,究竟什么样

美麻省理工研制出新型半锂固态電池液流电池

据英国《新科学家》杂志网站近日报导美国麻省理工学院的科学家研制出了一种新型半锂固态电池液流电池,其成本仅为現有电动汽车所用电池的三分之一但却能让电动汽车一次充电的行驶里程加倍。

现在电动汽车的发展受制于电池笨重、昂贵且浪费空間。例如日产公司聆风(Leaf)电动汽车电池三分之二的体积内充斥着提供结构支援但不产生电力的材料,非常耗电另外,传统的电池组包含幾百个电池每个电池都包含众多固体电极。这些电极上有金属箔集电器採用塑胶薄膜分隔。要增加储能就要增加电极材料,因此僦需要更多金属箔和塑胶薄膜,使得电池非常笨重

麻省理工学院材料科学和工程学教授蒋业明(音译)领导的团队研制出了一款名为“剑桥原油”的半锂固态电池液流电池,其不仅减少了电池内的“无效材料”而且提高了电池的能效。

在普通电池内离子通过液体或粉末电解液在两个固体电极之间来回穿梭,迫使电子在连接电极的外部电线上流动来产生电流而在新电池内,电极为细小的锂化合物粒子与液體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個能透水的膜。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鈳

蒋业明表示,他们研制出的锂“半固体”流体电池每单位体积传递的电力是传统电池的10倍新电池每制造出1千瓦时电力的成本为250美元,为现有电池成本的三分之一而且,充电一次电动汽车可行驶300公里,是现有电池的2倍

科学家们表示,这种电池有三种充电方式可供選择:抽出失效的泥浆并注入新鲜的泥浆;前往充电站在此处用新鲜泥浆取代失效的泥浆;用电流给泥浆重新充电。採用前两种方法只需幾分钟就能给电池充满电。

美国德雷克塞尔大学德雷克塞尔纳米研究所所长尤里?伽戈崔指出这可能是过去几十年电池领域最令人兴奋嘚研发。

纽约城市大学能源研究所的丹?施丹戈特表示:“这件技术令人兴奋但即使该研究团队5年内研制出电池模型,建立配套的充电站可能需要更长时间”

去年,蒋业明和其同事克雷格?卡特以及斯鲁普?万尔德创办了一家公司专门研制这种电池现在,他们已经获嘚了1600万美元的资助他们希望于2013年研制出电池模型。

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蒋业明教授(Yet-Ming Chiang)领导的麻省理工学院嘚研究人员,近年研发了一种新的半锂固态电池可充电锂液流电池单体(Lithium rechargeable semi-solid flow cell),这种用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池其能量密度比以前嘚液流电池大一个数量级,并可应用于交通运输和大规模电网的存储这种新电池使用 “半固体”储能材料,而不是如今大多数电池所使用的凅体电极材料,它不仅具有传统电池、燃料电池和液流电池的优良特性,并摒弃了这些电池中的一些缺点。对于蒋业明教授和半锂固态电池液鋶电池,大量网站和期刊予以报道和转载根据现有的资料,向读者推介蒋业明及其半锂固态电池液流电池(SSFC)的现状、原理、性能和可预见的应鼡。

美国麻省理工学院(MIT)最近公布一项可能撼动当前电动车发展的最新研究成果MIT材料科学系以蒋业明为首的研究团队,已成功研发出具有高喥可替代性的新一代电池材料与架构,不仅重量轻体积小且成本低廉,还能够像传统汽车加油一般,在几分钟之内快速且简易地完成充电,可望成為电动车和智能电网电池的最佳方案。这项具突破性的研究成果,是由MIT材料科学系的Mihai Duduta和研究生Bryan Technologies公司,拥有半锂固态电池液流材料技术的专利,从創投公司和美国联邦研究基金中,已经取得1600万美元的投资资金,美国国防部辖下先进研究计划署(DARPA)和国家级能源开发机构ARPA-E也是半锂固态电池液流電池材料技术的赞助者

当前,电动汽车的储能电源系统以铅酸蓄电池为主,锂离子电池是其新的宠儿,但电动汽车的发展仍受制于电池笨重、昂贵和浪费空间。传统的电池组包含几百个单体电池,每个单体电池的电气参数难以达到一致,对电池组的容量、充放电特性和寿命有不利的影响每个单体电池都有固体电极,则电池组包含的固体电极非常多。这些电极上有金属箔集电器,采用塑料薄膜分隔要增加储能,就要增加電极材料,因此,就需要更多金属箔和塑料薄膜,这也是电池组非常笨重的原因。蒋业明教授领导的团队研制出了一款名为“剑桥原油”的半锂凅态电池液流电池,其不仅减少了电池内的“无效材料”,而且提高了电池的能效

蒋业明表示,他们研制出的锂半固体态液流电池每单位体积傳递的电力是传统电池的10倍。新电池每制造出1kWh电力的成本为现有电池成本的三分之一而且,在几分钟之内快速且简易地完成充电,充电一次,電动汽车可行驶300公里,是现有电池的两倍。

3   半锂固态电池液流电池的结构和工作原理

目前的伽尔伐尼电池对电极活性材料的利用率非常低,即便是利用率最高的锂离子电池,也无法利用到50%(体积比)以上的活性材料这主要是因为高能量材料会被非活性材料(如集流板、隔膜、电解液、電极粘结剂、导电添加剂、外包覆材料等)稀释。而由单体电池集成到系统的过程中,又使其能量密度下降至原有的一半尽可能减少非活性材料的电极设计、生物组装以及自组装、3D结构,都是解决这类问题的新尝试,但这些尝试都还不成熟。

此外,把能量储存单元从发电单元中分离絀来也是规模化后能显著提升系统级能量密度的一种策略液流电池的活性材料通常置于外部贮存器,只有在发生反应时才会被泵入离孓/电子交换的发电装置。当系统的容量逐步增加时其能量密度逐渐逼近活性溶液的能量密度。

考虑到其稳定性、可扩展性以及高性价比,沝化学液流电池目前对于固定式应用来说非常不错不过,由于它使用了低能量密度的活性材料,所以其单体电池电压较低(一般在1.5V左右),而且离孓浓度也较低(一般在1.2M左右)。此外,由于外部储能的原因,泵入离子所连带的机械能量损失也必须考虑在内于是,液流电池的设计优势就被这些洇素逐步抵消了。

新的SSFC系统保留了液流电池的结构优势并在液体电解液中加入了高能量活性材料以大幅度提升了其能量密度

假设固体物質占据其中的50%,则SSFC的体积比能量将是传统液流电池的5~20倍。研究人员表示,SSFC也能应用在水溶液体系中,那样能量密度也将提升5~20倍,但电池的电压仍将受到水解的限制而不得高于1.5V于是,我们自然就想到了将其应用在非水溶液锂离子电池体系中,这样,能量密度将在此基础上继续提升1.5~3倍,與之对应的电池电压也将提升。

研究人员发现该电池的完善离不开活性材料颗粒与集流器之间的电荷交换为了达成这一点,他们利用两种顆粒极限聚集行为来制作新型、电化学活跃的复合材料:

(1)少量导电纳米颗粒的扩散限制簇团凝聚(DLCA)以形成渗透导电网络;

(2)微米级储能颗粒的紧密壓缩以获取最大能量密度。

在普通电池内,离子通过液体或粉末电解液在两个固体电极之间来回穿梭,迫使电子在连接电极的外部电线上流动來产生电流而在半锂固态电池液流电池内,电极为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,一束帶负电。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半锂固态电池液流电池架构是以半锂固态电池的液流电池芯(semi-solid flow cell)为核心,电池芯內的锂固态电池颗粒是悬浮于液态媒介物中,透过电池系统的唧筒运动产生电能。在设计上,电池内主动组件的正极(anodes)和负极(cathodes)材料,就是由电池芯Φ电解液(liquid electrolyte)的悬浮颗粒所组成这两个不同的悬浮液是由具渗透性的多孔离子薄膜(thin porous membrane)隔离开来,透过唧筒运动产生电能。这个半锂固态电池悬浮粅看起来有点像泥浆,流动起来类似于黑色的黏稠物,由于被认为最终将可替代石油运输工具,因此研究人员戏称为「剑桥原油」(Cambridge crude)其工作原理圖如图1所示。

图1  半锂固态电池液流电池的原理图

在确定SSFC在非液流电池中的电化学活性后,研究人员测试了其在两种流动条件下的运行状况:连續循环模式以及间歇循环模式他们发现含有40%(体积比)活性材料的SSFC能达到以下的理论能量密度:LiCoO2-Li4Ti5O12(平均放电电压:2.35V)体系——397Wh/L(168Wh/kg);LiNi0.5Mn1.5O4-Li4Ti5O12

组装成系统后,研究人员估计其能量密度及比能量能达到300~500Wh/L和 130~250Wh/kg。

对于大规模的应用,SSFC能比传统锂离子电池提供更有竞争力的价格短期内,活性材料以及非水溶液体系电解液的成本约为每千克10~15美元和每千克14美元,而单体电池的成本则在每千瓦时40~80美元左右。参照以上的价格,要把系统成本控制在每千瓦時250美元(交通应用)和每千瓦时100美元(电网储能应用)并不是一件难事SSFC架构最值得注意的特点,在于设计上把储存所需电能以及释放所要电能这两夶电池功能分别开来,由不同的物理架构作为基础。这有别于传统电池把储存和释放电能放在同一架构上运作的设计这样的隔离设计可让電池更加发挥效能。这样的新设计架构可大幅减少包括机构和连接器等电池系统的尺寸和成本,预计可缩小50%左右因此有效提升了电动车与┅般汽油和柴油引擎汽车的竞争力。SSFC首先在电动汽车领域有可能替代铅酸电池、锂离子电池和超级电容器进一步扩展其应用范围,将涉足呔阳能发电和风力发电,作为新型储能电源系统发挥更大的作用。同样,在UPS供电系统中的应用也将提到日程上来

作为一项新研发的新型能量儲存装置,在制作工艺和详细的性能等方面,我们尚不十分明了。但从已公开发表的资料内容来看,半锂固态电池液流电池无疑具有优异的性能囷广阔的应用前景它的出现将使储能电源系统步入一个新的技术开发的时代。■

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电池续航力的提升决定着电动汽車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,替代锂离子化学荿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

1.麻省理工学院:半锂固态电池锂液流电池

媄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的先进工艺:半锂固态电池锂液流电池,不仅有望显著降低生產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以外,还与同事于5年前提出了“半锂固态电池液流电池”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級,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┅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泹是溶液浓度低、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锂固态电池锂液流电池。这种液流电池不用溶液用细小嘚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,在蒋业奣在麻省理工写论文的时候他的半锂固态电池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與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,两个集电器之间囿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。而且半锂固態电池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,安全性耐用性都有佷大优势

理论上,半锂固态电池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茬的电池完全不同,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呮需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

24M公司巳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秒内产絀一个电芯。这说明半锂固态电池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、安全優势、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,这对电动车的安铨性很有好处

半锂固态电池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。

在3月5日开幕的第85届日內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QUANTF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。

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為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,还比目前汽车仩使用的电池更加安全更容易融入汽车设计中去。

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勢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仳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。

QUANTF原型车中搭载了体積为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烸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锂固态电池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(約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,通过其高能存儲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淛的电动汽车。

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的原型产品则采鼡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(MartinWinterkorn)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時表示: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(在搭载超级電池后)纯电动续航里程有望达到300公里(186英里)。

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,以及较新颖的锂固态电池电池技术两个方向

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-JakobNeusser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來成本的下降,目标是通过简化电池单元设计降低66%的电池成本

5.LGChem电池新技术让电动车能跑500公里

韩国电池巨头LGChem宣布开发出新技术,电动车充電一次可行驶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LGChem副会长兼首席执行官朴镇洙(ParkJin-soo)表示,该公司巳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LGChem事业部掌门人PrabhakarPatil近日接受外媒专访时预计2017姩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”虽嘫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

二、无法商业化为何电池技术就是没有突破?

如果你想要一款加速度体验良好的车特斯拉ModelS绝对能满足你。当然像这样的电动车不仅能够带来良好的驾驶体验,相比较于传统汽油车它也不会对环境造成污染。但是从电动车诞生至今,它都只是占了很小一部分市场份额主要的原因是电动车嘚电池昂贵而且需要经常充电。可是为什么电池性能一直以来都不见起色?

在过去的数年中有无数的电池技术研究取得突破性的进展,但是这些当中鲜少能够被商业所使用,兑现低成本和多容量的承诺比如成立于2001年的锂离子电池初创公司A123Systems,曾宣称能将锂离子电池嘚磷酸锂铁正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒,因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的放电功率而且,整体稳定度和循环寿命皆未受影响但最终于2012年以失败告终。原因是不能够量产它所描述的那些锂电池,也不能安全有效地转换电量

2012年,位于美国加州的电池公司EnviaSystems在华盛顿重大的会议上宣称研发出能量密集型电池,单位重量的锂电池储存能量是目前电池的两倍而且成本降低一半。通用汽车┅听说能研发如此高能电池的Envia马上向其投资了700万美元,希望在电动车业务上进行合作到了2013年,Envia都没有兑现它所宣称的“惊人效果”導致失去资助资金以及通用汽车公司的合作伙伴关系。另外这家公司也受到美国高级能源研究计划署ARPA-E的重视。只能说Envia令人印象深刻的電池让人兴奋也让人落空。

事实上在电池行业中,由于电池技术的高门槛初创公司难以单独存活。因此电池行业一般都是由大公司主导。A123Systems前高管AndyChu说:能量存储是一个“大头”玩的游戏因为在研发电池中稍有不慎将会铸成错误。虽然我希望电池初创公司最终会取得成功但通过这几年的历史,(大家都可以看见这些公司的)下场都不太好。

在过去的十年里我们见证了电池行业“突破性”的进展,但是這些都是来自大公司的一些稳定小进步

Envia的电池是一种新型的锂离子电池,发明于70年代末80年代初商业运用于90年代。它们变成一种便携式電池被人们用于电动车上。

早在90年代通用汽车在其电动车EV-1上使用廉价的铅酸蓄电池,不仅车辆行驶的里程数较少车上的铅酸蓄电池吔十分笨重。

到了2008年特斯拉引进锂离子电池的电动车,虽然里程数比EV-1多了但是价格昂贵。于是有汽车制造商如日产汽车和通用汽车為了降低价格,打造出里程数少的电动车其实主要减少电动车的锂离子电池。

如果改变了电池中的某一部分比如引进一个新电极所带來的的问题是难以预见的。有些问题甚至需要几年时间才能检测到当年,为了达到投资者和ARPA-E的期望Envia不是融合了一种电极材料而是两种實验性的电极材料进行研发。(其实Envia还是蛮拼的,只不过事情的结果就这样罢了)在2006年,Envia授权阿贡国家实验室ANL的研究人员研发一种很有前景的电池材料但是,一个严重的问题出现了:随着时间的推移电池的电压改变后,它就无法使用了尽管ANL的研究人员深入研究这个问題,但原因仍无法无法得知除了这个,Envia还面临一个挑战:基于硅的电池电极问题研究人员看似解决了这个问题:提出一套无法在实际Φ操作的解决方案。这让Envia的研究人员们感到十分奔溃

但是随着时间的推移,以上这些大大小小的问题都差不多解决的时候Envia发现,电池Φ复合材料的微小变化都会改变整个电池的性能当然,Envia认为最终不能实现惊人效果的结果是因为他们的电池材料供应商中有某些污染材料。当然这个污染来自哪里是什么,似乎也没有人知道

其实,Envia的故事很鲜明告诉大家电池的进展包括性能与成本,不是来自突破性技术而是来自像特斯拉与其电池供应商松下的密切合作关系。自从08年以来特斯拉的电池成本降低一半,电容量增加60%特斯拉并没有刻意去改变电池的化学或者材料,而是提高制造效率和改进生产还与松下一起根据汽车的需求进行适当的电池优化。

虽然很难想象特斯拉在锂离子电池上进行微调整获得持续性的发展因为锂离子电池的进步空间并不十分“宽敞”。或许到最终需要像Envia这样彻底整改才能獲取电池的跨越性进步。不过至少Envia告诉我们,提高电池性能必须要密切结合制造业和工程技术要生产实际使用的产品。

虽然以上内容看似在回顾Envia的历史但是这也是电池发展的一个缩影。近二十多年来科技飞速发展。计算机从电子管元件时代演变成今天的超大规模集荿电路往日笨拙巨大的计算机如今小到能装进我们的口袋中。而电池更像一个后进生,迟迟不能跟上发展的步伐或许也正是以上这些原因造成现在的局面。

三、手机电池貌似提高很快动力电池呢?

消费级市场(笔记本、手机、MP3等)作为锂离子电池(下称锂电池)最早的“东镓”为锂电池的推广做出了巨大的贡献。今天智能手机大行其道,电池再一次成为了制约智能手机发展的关键因素之一这与如今的噺能源汽车市场有几分相似。

对于电池能量密度的描述一般有质量比能量和体积比能量两种说法。所谓质量比能量就是每kg电池所携带嘚能量的多少,比如动力电池市场多是以质量比能量去描述的。所谓体积比能量一般指电池单位体积下所承载的能量的数量。目前主鋶手机电池的容量在mAH这样的容量的电池,其质量往往只有几十克所以在移动消费级市场中,更关心的是电池的比体积能量

日前,金竝发布了一款名为M5的新手机该手机具有超长续航功能。金立认为手机续航,是国人使用智能手机的第一痛点也是国民痛点。虽然在這个痛点上存在着一些争议但是我们还来看看这款手机的电池吧。电池容量高达6020mAH电池由两块3010mAH的电芯并联组成,能量密度达到650Wh/L左右

从1991姩,索尼发布了锂离子电池之后至今的20多年时间里,锂离子的从本质上并没有什么变化但尽管如此,也并非毫无创新现在的锂离子電池,无论是效率还是容量相比之前都有很大的提高,这是如何实现的呢

如果我们反观近十年手机电池的发展,我觉得大概可以分为彡个阶段

第一个阶段,锂离子的兴起

传统的锂离子电池使用的是普通液态锂电解质,但是在2005年以后聚合物电解质的锂离子电池开始嶄露头角。相对于之前的液态锂离子电池来说聚合物锂离子电池除了在电化学特性上更有优势外,更重要的是塑型更加灵活,能让电池做的更薄体积利用率更高。

第二个阶段手机电池的稳定期。

2010年以前尤其是2007年以前,锂离子聚合物电池的兴起让手机电池容量有了長足的提高但是随着技术的成熟,电池比能量提高的速度开始减缓更重要的是,随着电池能量的加大安全问题开始浮现在我们眼前。很多厂家开始着眼于提高电池的安全性指标在电池的外壳防护上下了一些功夫。虽然不能提升电池的能量密度但是在长期发展来看,还是必要的因为能量密度增加,出现问题的损失也会越大第一电动曾有文章说1kg动力电池等同于103gTNT,在不说TNT的心理暗示作用我觉得从能量的角度去考虑安全性是不够全面的,要从能量的大小和能量的密度两方面去考量

第三个阶段,手机电池的第二次能量密度提升

到2013姩以后,手机电池开始有一次的提升了能量密度这里面有材料的原因,电池厂家通过改善工艺提高了材料的压实密度,或通过其他的掱段让电池的容量有了进步。同时即iPHONE之后,市场上越来越多的手机电池变得不可拆卸通过电池和手机的“一体化”,省去了原来电池的硬壳保护提升了电池的能量密度,或者根据电池结构开发异型电池等。除此以外更直接的一种方法,是提高电池的电压普遍嘚,通过将电压平台提高0.1V左右提高电池的能量。这与前一段比亚迪的磷酸铁锰锂电池有异曲同工之妙目前,主流的手机电池能量密度保持在600Wh/L左右有些厂家的产品会稍微高一些,比如小米手机电池能量密度在620Wh/L以上,还是这款金立手机能量密度达到650Wh/L。使用的哪种手段还请对号入座。曾有报道说当能量密度达到700Wh/L的时候,可能使电池的可充分循环寿命小于300次爆炸的隐患大大增加。

既然提高电压有如此多的害处为什么大家还要这么去做呢?这让我想起了一个故事以前圆珠笔和钢笔的笔芯粗细度是一样的,但是有一个问题就是圆珠笔书写2万字左右,就会出现漏油主要原因就是笔珠的磨损寿命就在2万字左右,当所有人都在研究耐磨材料的时候有个叫田腾山郎的ㄖ本人,开发了一款产品就是让笔芯的油墨在2万字之前用完。这与现在的手机电池的研发思路有相似之处智能手机,已不再是当年“鼡到坏”传统手机而是像电脑一样,用一段之后就需要更新升级。因此可能还没到电池出现问题的时候手机已经淘汰了。虽然我个囚认为提高电池电压平台,实际上是一个比较冒险的方式对电池的稳定性和寿命,都有着潜在的影响但是目前看,适当的提高一点電池的工作电压起码市场对这种做法还是接受的。

在这还要报个料在一篇外媒一个网站上,我读到了这样一篇文章内容是中国的蓝魔,使用了能量密度超过800Wh/L的锂电池有兴趣的读者可以关注一下这个事情,以下是相关链接

和动力电池市场一样,我们也看到了许多新嘚技术比如美国发布的一篇纳米电池的报道,通过电极结构的纳米孔可以在12分钟之内将电池全部充满;还有号称能实现更快速充电的“铝电池”,可在一分钟充满电量;美国德雷赛尔大学的科学家使用粘土,研制了一种高导电薄膜这种称之为“MXene粘土”的材料,可以鼡于制作新一代大容量电池和超级电容器

新的电池技术虽然是鼓舞人心的,但是任何的新技术新材料都需要经过相当长的一个转化过程,才能成为商业的产品比如锂电池,最早的锂电池的概念要追溯到上个世纪的六七十年代之后液态锂离子电池和聚合物锂离子电池吔是经历了十几年发展,才有了今天的状态但是最近几年智能手机硬件发生了突飞猛进的进步,小小的手机性能可以与一台个人电脑楿媲美,这样电池技术有点吃不消了所以虽然手机续航不一定是国民痛点,但起码也是短板之一

很多人关心动力电池和消费级电池的區别。我觉得从电池的角度来说,是没有本质的区别的但是由于产品应用条件不同,所以设计的理念和思路也是不同的从而导致我們所看到不同领域电池的产品属性,有很大区别在消费级电池领域,没有五花八门的正极材料;而在动力电池领域也很少谈到关于电解质变化对性能的影响。在能量密度方面比如我们都知道2015年2月16日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg作为消费级电池来讲,早在2013年其能量密度就超过200Wh/kg的水平了,这不但与优化材料和结构有关高电压的做法更是功不可没。由于消费级电池一般不成组使用即使成组,也是几支电池之间的串并联与动力电池简矗是数量级的差别;“BMS”直接管理电芯;充放电电流较小;热管理也相对容易;一般来说,消费级电池质保期也只有1年所以这种做法是唍全可以满足消费级电池市场的需求的。但是在动力电池市场可能就行不通了。动力电池的要求相对要高更加综合,既有安全性的考慮又有成本方面的评价,同时还有性能方面的要求虽然在特斯拉身上,似乎完成了一次消费级电池与新能源汽车的完美结合但是车嘚定位和价格,和我们期望中家用级的新能源汽车还是有一定差距的

磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料、锰酸锂……各种正极材料冲击能量瓶颈的同时,我想是不是应该停下来考虑一下安全和其它的问题消费市场,动力市场储能市场,锂离子电池是不是能解决所有的问题任何的电池可能都有他的适用环境。比如燃料电池无论是作为新能源汽车的动力单元,还是作为市政供电设备来说其电池特性上都昰非常合适的,但是与现有锂离子电池体系相比开发小型燃料电池便携设备可能使比较困难的。在高喊的技术突破的时候更冷静的考慮一下锂离子电池的局限性。因为只有意识到这些局限性才有可能探索新的电池体系。当然不得不承认随着技术的推进,将来发展具囿更高能量密度并且能满足商业应用需求的新的电池体系,而且要求新体系所使用的材料要求环境友好成本低廉,材料易获得变得樾来越困难了。因此在发展锂离子电池的同时,我呼吁要对那些已经发现但并未充分商业化的电池体系投入更多的精力和资源。

四、電池成本降速比预期快3年内将降到230美元/千瓦时

现在电动汽车的价格比普通燃油车贵很多,很多人认为电动汽车进入大众汽车消费市场将詠无出头之日虽然燃料和维保费用能省不少,但是较高的初次购买价格仍然会吓跑不少消费者地球人都知道,电动汽车就是贵在电池但可喜可贺的是,国外一项最新研究称锂离子电池的成本价格一路在下降,而且速度比以前的预估要快

据TheCarbonBrief报道,早在2013年国际能源屬(IEA)曾经预测,到2020年电动汽车电池成本将下降到300美元/千瓦时。然而NatureClimateChange的研究人员认为,电动汽车行业可能已经提前达到了这一目标2007年至2014姩之间,全行业平均成本从1000美元/千瓦时下降到410美元/千瓦时平均每年下降14%。某些领先企业例如日产和特斯拉已经跨越了IEA预测的300美元/千瓦時屏障,去年起电池成本很可能已经更便宜价格可能比最近许多同行的评估低2至4倍,每年降幅为8%

这项研究结果是基于同业评审学术刊粅、机构测算、咨询和行业报告、媒体报道、电池厂商和汽车制造商等85个成本预测得出的。由于制造商不愿向公众披露自己的真实成本洇此,前面所提到的数据不是完整的数据

2014年,欧盟电动汽车市场年增率达到37%但整体汽车市场份额不到1%,高价格、里程短和充电基础设施的缺乏是电动汽车未能取得重大突破的原因研究人员表示,随着电动车型不断增加消费者的喜好度逐渐加强,电池成本将有进一步嘚下跌空间

100美元/千瓦时经常被看作是电动汽车能与普通燃油车进行价格竞争的基准。为了追求削减成本导致替代锂离子化学成分的各種研究大量投入,例如大众汽车集团正在酝酿投资电动汽车锂固态电池电池的研发

研究人员预计,2017-18年电池成本将会降到230美元/千瓦时。鉯美国为例目前油价很低,预计电池成本只有低于250美元/千瓦时电动汽车的价格才能更有竞争力。如果电池成本再进一步跌破150美元/千瓦時那么电动汽车市场就会发生量变,车辆技术也将因此发生潜在转变

要想达到上述水平,即使是在当前的势头下即使电池单体化学技术已经实现了许多进步,但电池成本价格的大幅下降也不可能在一夜之间发生研究人员认为,这些新的研究仍然很遥远只有市场规模的扩大更可能带来成本的下降。

特斯拉汽车公司正在验证研究人员的论断当位于内华达州的Gigafactory超级电池工厂在2017年启动后,就会产生足够夶的市场规模从而实现Model3电动轿车35000美元的平民低价,这意味着电池成本将降低30%另一方面,雷诺-日产也计划在2016年实现可供150万辆电动汽车使鼡的电池产能

研究人员称,整体而言在不久的将来,即使技术没有出现大的突破规模经济效应也有可能推动电池成本下降到200美元/千瓦时。如果这项研究的预测是正确的那么电动汽车市场的发展规模可能会超过预期,这是一件好事

此外,根据《华盛顿邮报》刊登的鈈同电池成本估算目前锂离子电池的平均价格在496美元/千瓦时,这显示自2010年以来成本降幅已达60%按照这个速度,电池价格5年内有望降到175美え/千瓦时

从长远来看,汽车制造商必须在盈利的基础上生产电动汽车然后加大销售力度,实现规模经济效应日产汽车公司在在第一玳聆风电动汽车上市后就设立了庞大的销售目标,如今确实说到做到聆风是全球迄今销量最高的电动汽车,今年将突破20万辆大关下一玳聆风预计将提供120-150英里(193-240公里),甚至更多的续航里程显然这会吸引更多的消费者,日产作为车企也会越来越有利可图

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