說(shuō)到鋰離子
電池大家肯定并不陌生,從能裝進(jìn)褲兜里的手機(jī)、行駛在路上的汽車(chē),再到用于電網(wǎng)能量?jī)?chǔ)存的基礎(chǔ)設(shè)施都能見(jiàn)到它的身影。
目前,全球的鋰離子電池產(chǎn)量已達(dá)到約160G瓦時(shí)的水平。這項(xiàng)革命性的技術(shù)使其三位主要開(kāi)發(fā)者在2019年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
然而,鋰離子電池產(chǎn)品并非完美無(wú)缺。它價(jià)格偏高;有可能發(fā)生著火現(xiàn)象;依賴(lài)于越來(lái)越難以獲得的材料,如鈷和鎳。
電池專(zhuān)家一致認(rèn)為,總有一天會(huì)出現(xiàn)更好的電池。這說(shuō)的有可能就是鋰金屬電池。
其實(shí),鋰金屬電池算是鋰離子電池的前輩。它于1970年代由時(shí)任艾克森石油公司的化學(xué)家的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham,2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之一)開(kāi)發(fā)出來(lái)。
金屬鋰作為電池材料的一大優(yōu)勢(shì)是,它很容易釋放電子和帶正電荷的鋰離子。理論上,如果電池體積不變,在搭載鋰金屬電池的情況下,電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程將提升一倍。
但事實(shí)證明,惠廷厄姆的設(shè)計(jì)難以商業(yè)化,原因在于鋰有著高反應(yīng)活性,通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng),從而導(dǎo)致電解質(zhì)過(guò)熱,甚至出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。另外,用來(lái)做陰極的二硫化鈦也太貴。
一個(gè)3D孔的活性表面空間是一個(gè)2D電池的50倍
后來(lái),惠廷厄姆和其他研究人員在鋰中加入了石墨,以此來(lái)降低其反應(yīng)活性,并用更便宜的材料替換了陰極。于是,我們現(xiàn)在常用的鋰離子電池由此誕生。
帶有鋰金屬陽(yáng)極的電池就此被當(dāng)成了鋰離子電池發(fā)展道路上的一個(gè)有趣墊腳石。
不到十年前,來(lái)自麻省理工學(xué)院(MIT)的A123系統(tǒng)公司宣布破產(chǎn),一定程度上是被這一不成熟技術(shù)拖了后腿,進(jìn)而導(dǎo)致投資者對(duì)于電池技術(shù)的疑慮。
2013年1月28日,在美國(guó)首都華盛頓,外國(guó)投資委員會(huì)(CIFUS)正式批準(zhǔn),同意萬(wàn)向集團(tuán)收購(gòu)A123。同樣源自MIT的SolidEnergy接管了A123閑置的設(shè)施,隨后開(kāi)始以具備商業(yè)可行性的方式自主制造電池。
總部位于美國(guó)華盛頓州博塞爾的XNRGI公司也沒(méi)有放棄這個(gè)選項(xiàng),目標(biāo)是要將鋰金屬電池商業(yè)化并打入主流市場(chǎng)。
該公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)將金屬鋰沉積到涂有薄膜的硅襯底上,并蝕刻數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微小孔洞,成功地抑制了金屬鋰的反應(yīng)活性。
與傳統(tǒng)的鋰離子二維陽(yáng)極相比,金屬鋰電池的三維基底大大增加了陽(yáng)極的表面積。“使用金屬鋰陽(yáng)極的容量是傳統(tǒng)石墨層間化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德庫(kù)托(Chris D’Couto)說(shuō)道。
該公司預(yù)計(jì)2020年開(kāi)始批量生產(chǎn)鋰金屬電池,供應(yīng)給制造
電動(dòng)車(chē)和消費(fèi)電子產(chǎn)品的客戶(hù)。
XNRGI還瞄準(zhǔn)了電網(wǎng)存儲(chǔ)市場(chǎng)。2019年,它與加拿大初創(chuàng)公司Cross Border Power簽署協(xié)議,成立了一家合資企業(yè),主要業(yè)務(wù)正是將其電池分銷(xiāo)給北美的公用事業(yè)機(jī)構(gòu)。
當(dāng)然,關(guān)于新電池技術(shù)的新聞從來(lái)就沒(méi)斷過(guò),其中不乏有人說(shuō)自己的研究是“革命性的,可以顛覆整個(gè)市場(chǎng)”。但相對(duì)而言,在實(shí)驗(yàn)室里看起來(lái)很有前途的電池,到了真正投入市場(chǎng)時(shí)卻少之又少。
“這取決于你要滿(mǎn)足多少個(gè)指標(biāo)。”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能專(zhuān)家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)解釋說(shuō),“如果是用于電動(dòng)車(chē),理想的電池應(yīng)滿(mǎn)足續(xù)航里程為幾百公里、充電時(shí)間以分鐘為單位、工作溫度范圍廣泛、使用壽命達(dá)10年、碰撞安全等條件。當(dāng)然,成本也要降下來(lái)。”
“考慮的指標(biāo)越多,讓一項(xiàng)新的電池技術(shù)商業(yè)化就越困難,所以需要妥協(xié)。比如,想讓電池使用10年以上,那行駛里程可能就有限,充電速度也不會(huì)很快。”他補(bǔ)充說(shuō),“還有一點(diǎn)是,行業(yè)只希望看到至少與現(xiàn)有電池一樣好的產(chǎn)品。”
XNRGI的德庫(kù)托自己也承認(rèn),說(shuō)商業(yè)化鋰金屬電池并非易事。但他同時(shí)表示,公司在幾個(gè)方面上有優(yōu)勢(shì)。
首先,嚴(yán)格來(lái)講,XNRGI沒(méi)有發(fā)明新的制造方法,而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些可靠技術(shù),包括在硅上蝕刻20×20微米的空腔以及薄膜的應(yīng)用。因此,該公司給電池起了個(gè)帶有“芯片”的名字:PowerChip。
德庫(kù)托說(shuō),這些用顯微鏡才能看到的微孔中的每一個(gè)都可以被看作是微電池。與鋰離子電池會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障不同,一個(gè)PowerChip微電池出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)傳播到周?chē)碾姵厣稀?/div>
其次,一些鋰離子電池,如Enovix、Nexeon、Sila納米技術(shù)和Sion Power等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,是用硅替代部分或全部的陽(yáng)極石墨,從而獲得更好的性能。在這些電池的陽(yáng)極中,鋰與硅材料結(jié)合形成Li15Si4。
同樣,PowerChip的硅襯底具有導(dǎo)電涂層,可作為集流體和防止硅與鋰相互作用的擴(kuò)散屏障。在這點(diǎn)上,德庫(kù)托稱(chēng)鋰金屬陽(yáng)極的容量大約是硅插層陽(yáng)極的5倍。
目前,該公司正在使用由鋰鈷氧化物和鎳錳鈷制成的陰極,其電池容量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍,而硫等替代材料可以進(jìn)一步提高陰極性能。“但如果只有一極的性能提高,另一極沒(méi)有相應(yīng)的變化并不能激發(fā)出電池的全部潛能。”德庫(kù)托給出了這樣的回答。
此前,XNRGI叫做NEAH電力系統(tǒng),開(kāi)發(fā)過(guò)燃料電池。但是燃料電池市場(chǎng)并沒(méi)有起飛,所以到了2016年,在獲得美國(guó)能源部的許可后,它使用相同的概念造起了鋰金屬電池。
“我希望每個(gè)人都開(kāi)電動(dòng)車(chē),甚至連飛機(jī)都應(yīng)該電動(dòng)化。”斯里尼瓦?戳艘谎劭鞗](méi)電的手機(jī),接著說(shuō),“電池和生活一樣,總有改進(jìn)的空間。”(文章&圖片來(lái)源:IEEE,作者:Jean Kumagai)
(責(zé)任編輯:子蕊)
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