電池革命每周都會(huì)被預(yù)測(cè)但這個(gè)可能是真實(shí)的

馬薩諸塞州的一家公司正在開發(fā)鋰金屬電池，其能量密度是當(dāng)前鋰離子電池設(shè)計(jì)的兩倍我們是否正處于電池技術(shù)革命的尖端?總部位于馬薩諸塞州沃本市的SolidEnergy系統(tǒng)公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官胡啟超認(rèn)為如此。Hu指出，就像著名的摩爾定律那樣，微處理器的功率每兩年增加一倍，電池的能量密度也會(huì)增加一倍，但是在30年的周期中要慢得多。最近一次重大突破發(fā)生在20世紀(jì)90年代早期索尼推出鋰離子電池時(shí)。它在小型封裝中的高能量密度使我們今天認(rèn)為理所當(dāng)然的消費(fèi)電子類型的發(fā)展發(fā)生了革命。

“索尼在1990年商業(yè)化的鋰離子技術(shù)推動(dòng)了筆記本電腦，iPod，手機(jī)等時(shí)代的發(fā)展。它實(shí)現(xiàn)了便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的時(shí)代。但現(xiàn)在我們正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代 - 電動(dòng)汽車，無人機(jī)，無人機(jī)交付，航空運(yùn)輸，飛行出租車。這是一個(gè)新時(shí)代，我們需要一種新型電池來為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，無論是陸上還是空中，“胡告訴設(shè)計(jì)新聞。

在這個(gè)為期一周的課程中，我們將看到兩個(gè)低成本但功能豐富的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)程序：CircuitStudio和KiCad。

從20世紀(jì)90年代開始，具有石墨基陽極的鋰離子電池提供的能量密度約為每瓦250瓦小時(shí)(Wh / kg)。硅基陽極最近的突破已達(dá)到約350 Wh / kg，但實(shí)際上這似乎是鋰離子技術(shù)的限制。要想更高，就需要改變技術(shù)?，F(xiàn)在，就在30年的時(shí)間表上，胡博士和SolidEnergy表示，公司有望在2021年前生產(chǎn)出近500 Wh / kg的鋰金屬電池。

事實(shí)上，如果沒有宣布有望改變世界的新電池技術(shù)，那么幾乎沒有一周過去。雖然繼續(xù)取得重大進(jìn)展，但大多數(shù)聲稱性能改進(jìn)的主張樂觀主要來自于進(jìn)行電池研究的小實(shí)驗(yàn)規(guī)模。從實(shí)驗(yàn)硬幣細(xì)胞或計(jì)算機(jī)模擬推斷結(jié)果是一回事，而在生產(chǎn)水平設(shè)備上構(gòu)建和測(cè)試全尺寸實(shí)際細(xì)胞則是另一回事。

該公司認(rèn)為，這是SolidEnergy的優(yōu)勢(shì)所在。由于與電池制造商A123在破產(chǎn)重組時(shí)的早期關(guān)系，剛剛起步的SolidEnergy能夠使用A123的閑置生產(chǎn)設(shè)備來研究如何構(gòu)建下一代電池。此外，成立于2012年的SolidEnergy早期決定他們將專注于材料而非工藝，并努力開發(fā)可用于現(xiàn)有電池生產(chǎn)線設(shè)備的新想法。

“我們正在嘗試使用相同的鋰離子制造工藝來構(gòu)建鋰金屬技術(shù)，這是一項(xiàng)新技術(shù)。我們正在嘗試使用舊的制造工藝來開發(fā)新技術(shù)。如果我們要建立一種新的電池技術(shù)然后發(fā)明一種新的制造工藝，這對(duì)于制造業(yè)來說將是一個(gè)巨大的障礙。我們發(fā)現(xiàn)使用現(xiàn)有的鋰離子制造工藝可以制造鋰金屬技術(shù)，“胡說。

SolidEnergy電池性能的關(guān)鍵是使用鋰金屬箔作為陽極(負(fù)極)，而不是當(dāng)今鋰離子電池中使用的石墨電極。鋰金屬電池通常是初級(jí)(不可再充電)小型電池，以高電荷密度和長壽命而著稱。硬幣或紐扣電池或AA或AAA尺寸電池通常用于為手表或電子設(shè)備供電，可能需要更換幾年才能使用。使用箔來制造更大的可充電電池帶來了挑戰(zhàn)。

“鋰金屬對(duì)濕度很敏感，所以你必須在干燥的房間里工作，它會(huì)粘在表面上，所以你必須對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行特殊的表面處理，而且它很輕，所以當(dāng)你拿起它時(shí)，你有仔細(xì)對(duì)待界面。因此，基本機(jī)制是相同的，但工具和材料之間的處理界面必須進(jìn)行修改，“胡說。

當(dāng)鋰金屬箔陽極用于可充電電池時(shí)，會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題。當(dāng)鋰電池充電時(shí)，鋰離子從陰極和電池電解質(zhì)移動(dòng)到陽極。利用鋰金屬陽極，這些離子鍍?cè)阡嚱饘俚谋砻嫔?，理想地是均勻的層。然而，?shí)際上，金屬鋰的電鍍通常形成稱為樹枝狀或苔蘚鋰的spikey微結(jié)構(gòu)。這些枝晶如果足夠大，會(huì)刺穿陰極和陽極之間的隔板，導(dǎo)致短路甚至火災(zāi)。盡管它們具有顯著更高的能量密度的潛力，但這僅限于實(shí)際的鋰金屬到不可再充電的原電池。

到目前為止，充電期間枝晶生長的解決方案是放棄使用鋰金屬陽極并在鋰離子電池中使用石墨陽極，鋰離子電池可以可逆地嵌入(或結(jié)合)鋰離子到其結(jié)構(gòu)中，防止枝晶生長。當(dāng)在低溫下充電時(shí)，當(dāng)將鋰離子結(jié)合到石墨結(jié)構(gòu)中更困難時(shí)，或者在公路車輛的再生制動(dòng)期間可能發(fā)生的非常高的充電電流時(shí)，樹枝狀晶體可以并且確實(shí)在石墨電極上形成。防止枝晶生長限制了鋰電池的充電速度。

如果你想制造一個(gè)鋰金屬陽極，一個(gè)技巧是用一種允許鋰離子流到陽極表面的材料涂覆活性鋰金屬表面，這限制了可能使細(xì)胞短路的有害樹枝狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。這種涂層是SolidEnergy新電池設(shè)計(jì)的秘密，因此是專有的。Hu解釋說，充電過程中對(duì)鋰的樹枝狀生長的抑制需要特殊的涂層，一種控制電壓和電流的特定和專有的充電協(xié)議，以及對(duì)電池內(nèi)部施加壓力，這也有助于減少枝晶生長。理想地，如果滿足所有要求，則在數(shù)千個(gè)再充電循環(huán)中的每一個(gè)期間，將光滑且連貫的鋰金屬層電鍍到現(xiàn)有金屬箔上。

SolidEnergy顯然不是唯一一家致力于可充電鋰金屬技術(shù)的電池公司，但它是目前唯一一家目前正在商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品。該公司推出的鋰金屬電池正在分階段進(jìn)行。2017年推出的第一款產(chǎn)品是用于高空無人機(jī)的電池，例如由軍方操作的無人機(jī)。SolidEnergy無人機(jī)電池采用的鋰金屬陽極使其能夠產(chǎn)生與鋰離子電池相同的能量，但占用空間的一半，幾乎是重量的一半。減輕重量可以顯著提高無人機(jī)的性能和耐用性。

由于SolidEnergy是企業(yè)對(duì)企業(yè)的供應(yīng)商，因此普通大眾無法使用這些特殊的無人機(jī)電池。它們目前在SolidEnergy在Woburn的原型生產(chǎn)設(shè)施上生產(chǎn)，每月約5,000個(gè)細(xì)胞。該公司正在尋找中國或韓國合作伙伴來提高產(chǎn)能。

胡錦濤表示，由于電池的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的電池機(jī)器上生產(chǎn)，因此擴(kuò)大生產(chǎn)不應(yīng)成為問題。有限的生產(chǎn)和處理薄鋰金屬箔意味著馬薩諸塞州生產(chǎn)的電池比鋰離子電池更昂貴，但胡預(yù)計(jì)隨著消費(fèi)級(jí)無人機(jī)電池銷售開始時(shí)產(chǎn)量增加，成本會(huì)下降。

下一階段將是消費(fèi)電子產(chǎn)品 - 手機(jī)和手表。“最終，我們想進(jìn)入電動(dòng)汽車市場，”胡說。“現(xiàn)在這些電動(dòng)汽車可能是陸地上帶輪子的汽車，也可能是電動(dòng)垂直起降器。所以垂直起飛和著陸飛行出租車。那將是2021年及以后，“他說。

“這很令人興奮，”胡繼續(xù)說道。“我希望從現(xiàn)在起幾年后人們會(huì)說，在20世紀(jì)90年代，索尼推出了第一款鋰離子電池，并推出了消費(fèi)電子產(chǎn)品，而在2020年，30年后，SolidEnergy推出了第一款鋰金屬電池，開啟了電動(dòng)運(yùn)輸?shù)男录o(jì)元，陸地和空中都有。“

高級(jí)編輯凱文克萊門斯30多年來一直在撰寫有關(guān)能源，汽車和交通主題的文章。他在他的工作室里建立了幾個(gè)關(guān)于電動(dòng)摩托車的世界陸地速度記錄。

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