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续航瓶颈在哪里:五大“超级电池”技术一览

2015-07-17 05:00
九一隐士
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  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

  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。

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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