麻省理工學院研究的「半固態鋰液流電池」,究竟是什麼?

作者 | 發布日期 2015 年 07 月 04 日 0:00 | 分類 手機 , 汽車科技 , 電池 follow us in feedly

日前,有新聞稱美國麻省理工學院的研究人員與一家名為 24M 的衍生公司合作,日前開發出一種製造鋰離子電池的先進工藝:半固態鋰液流電池,不僅有望顯著降低生產成本,還能提高電池性能,使其更易於回收。



這裡有必要介紹一下 24M 公司的創始人,他是麻省理工學院教授、A123 電池公司前創始人之一蔣業明。其中,通用汽車的插電混合動力汽車雪佛蘭沃藍達、上海汽車的榮威 550 插電版都是用 A123 公司的電池。蔣業明這個名字在電池界很知名,他除了搞磷酸鐵鋰電池(比亞迪電動車用的就是磷酸鐵鋰電池)以外,還與同事於 5 年前提出了「半固態液流電池」的概念,這些年他一直在做商用的努力。

蔣業明是台灣人,美國工程院院士、台灣中央研究院院士、麻省理工學院材料系教授,研究過用鋁、鈮、鋯等三種金屬做正極的超級鋰電池。在全球材料科學家中排名 66 位。算是電池行業的世界頂級專家。

雷鋒網配圖

先說說「液流電池」是什麼東西

我們目前用的絕大部分電池都來自於一個古老的模型——西元 1800 年的原電池。這個東西的原理就是有正極、有負極、有電解液,然後電子流動就有了電。

家裡的花生、檸檬、蘋果,插上一個銅片、一個鋅片就可以帶動電子鐘,就是這個原理。

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最近 300 年來,人們不斷尋找正極和負極材料,提升能量密度,無論是乾電池、鎳鎘電池還是流行的鋰電池,都是材料的升級。原理和家裡 DIY 的花生電池、蘋果電池是完全一樣的。

無論材料怎麼升級,傳統的電池對活性物質的利用率很低,能夠產生電能的物質被包裹在必須的非活性物質之中。在我們常見的鋰電池裡面,鋰材料只含電池重量的 2% 左右,這些非活性物質增加了電池成本,還降低了活性物質的利用率。

因為傳統電池的這些弱點,人們發明了液流電池。液流電池可以視為一個獨立的大電池,正負極電解液分別存放,集中反應產生電能。這樣無需昂貴的附加材料,可以大大提升效率。

 

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▲ 液流電池的工作原理

其實,液流電池並非那麼完美

既然液流電池這麼好,效率這麼高,為什麼還沒有被廣泛採用呢?

這是因為液流電池不僅僅有優點,它的缺點也很多。

目前液流電池的濃度有限制,雖然理論上效率比傳統電池要高,但是溶液濃度低、能量密度和功率密度並沒有優勢,價格也不算便宜。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,液流電池整個系統綜合算下來效能就更差。

 

所以,蔣業明開發出來了半固態鋰液流電池。

這種液流電池不用溶液,用細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因為這種泥漿的能量密度可以做的比溶液高,於是液流電池的大容量優勢就有了,在蔣業明在麻省理工寫論文的時候,他的半固態液流電池的能量已經可以達到 500WH/L 了。

這種電池的原理其實很簡單。電極是細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,一束帶負電,兩束泥漿都通過鋁集電器和銅集電器,兩個集電器之間有一個能透水的膜。當兩束泥漿通過膜時,會交換鋰離子,導致電流在外部流動。為了重新給電池充電,只需要施加電壓讓離子後退穿過膜即可。

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▲ 半固態鋰液流電池

這樣,它的正極負極的材料利用率比傳統電池高的多,只要一層膜就夠了,用的各種材料也比傳統電池便宜的多。

而且,半固態鋰液流電池可以做成柔性的(你可以想像成塑膠袋包著兩團泥漿),電池不僅可彎曲、折疊,即使被子彈穿過也不會受損,安全性耐用性都有很大的優勢。

電池革命真的來了?

理論上,蔣業明的這種電池能量密度更高,價格更低(據他估計,到 2020 年,每千瓦時容量的成本將降至 100 美元以下,而目前中國產的最便宜的動力鋰電池也得 300 美元以上),更安全,具有美好的前景。

但是,這種東西的原理和結構與現在的電池完全不同,生產線設計、品質控制、測試標準、量產工藝這些東西都得從頭摸索。現在的電池生產線不能用。

於是,這些年蔣業明的 24M 公司就一直在做從實驗室到量產的事情,要解決新結構電池量產中遇到的各種問題。

一開始,蔣和他的幾個同事用純手動模式試棗,然後逐漸形成了一條手工的生產線。熟能生巧,到後來,他們手動生產一塊手機電池大小的單元只需 6 分鐘。

經過摸索,團隊對生產工藝反覆改進,最終打造出了一個工業化的生產平台,讓電池的能量密度和生產速度都發生了質的變化。投資人對 24M 取得的進展非常滿意,給了24M 高達 5,450 萬美元的融資。

而 24M 公司已經在原型生產線上製造了大約 10,000 塊這樣的電池,其中大部分正在接受 3 個工業合作夥伴的測試,包括泰國的一家石油公司和日本重型設備製造商 IHI 株式會社。新工藝已獲得 8 項專利,另有 75 項專利正在接受評審。

下一步,蔣業明準備啟動第三輪融資,新的資金將用於研發一種機器,能在 2-10 秒內產出一個電芯。

這說明,半固態液流電池已經到了大規模測試階段了,這個階段過了就是大規模量產了,這是非常令人激動的。在電池歷史上,這個成就是可以與當年 Sony 發明鋰離子電池相提並論的。

不過,液流電池的成本優勢、安全優勢、容量優勢,在我們日常使用的手機、平板上並不突出。

因為這些設備用的電池太小,成本太低。幾千元的手機,電池成本是 10 元還是 20 元影響不大,而新的電池還需要做各種測試,重新設計電池倉,得不償失。

而這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車與家庭儲能的絕配。

特斯拉汽車如果用這種電池,價格立即就能變得平易近人,而且續航里程也會更長。用到特斯拉的家庭儲能設備上,價格也會立即下降,而且這種電池更安全,不怕普通的碰撞,這對電動車的安全性很有好處。

電池革命這次也許真的來了,也許只要 3-5 年,我們的世界就會完全不同。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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