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“超级电池”在哪里?电动汽车能弯道超车吗?

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。

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。

半固态锂液流电池和nanoFLOWCELL的液流电池原理

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。

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

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。

关于固态电池

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”。

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。

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