钜大LARGE | 点击量：933次 | 2021年10月25日
“超级电池”在哪里？五大技术商业前景可期
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新增能量。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法。
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优秀专家。他除了搞磷酸铁锂离子电池以外，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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
人们不断寻找正极和负极材料，提升能量密度，干电池、镍镉电池还是锂离子电池，无论材料怎么升级，传统电池对活性物质的利用率很低，能够出现电能的物质被包裹在必须的非活性物质之中。在常见的锂离子电池里面，锂材料只含电池重量的2%左右，这些非活性物质新增了电池成本，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，集中反应出现电能。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，为何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。
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。
24M公司已经在原型生产线制造了约10000块这样的电池，部分正在接受3个工业合作伙伴的测试，包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI株式会社。新工艺已获得8项专利，另有75项专利正在接受评审。下一步，蒋业明准备启动第三轮融资，新的资金将用于研发一种机器，能在2-10秒内产出一个电芯。这说明，半固态液流电池已经到了大规模测试阶段了，这个阶段过了就是大规模量产了。
液流电池的成本优势、安全优势、容量优势，在我们日常使用的手机、平板上并不突出。反而，这种容量大、便宜、安全性好的电池却是新能源汽车与家庭储能的绝配。电动汽车一旦用上这种电池，价格立即就能平易近人，续航里程也会更长，而且这种电池更安全，不怕普通的碰撞，这对电动汽车的安全性很有好处。
半固态锂液流电池也许真的能闹一场电池革命，也许只要3-5年，电动汽车的世界就会完全不同。(本节部分摘自雷锋网)
2.nanoFLOWCELL：液流电池可续航1000公里
在三月五日开幕的第85届日内瓦车展上，中欧小国列支敦士登的nanoFLOWCELL不仅带来续航800公里的QUANTF电动超跑，除了酷炫的外表，最大亮点就是采用了锂离子液流电池作为性能电动超跑的推动力，续航里程高达800公里。第一辆原型车最早将在2015年上路行驶。
液流电池将电化学蓄电池以及燃料动力锂电池的各个方面相结合，相比为当今电动汽车供应动力的锂离子电池技术而言，其性能高出4倍。新型液流电池除了在价格和行驶里程上具有显著优势外，还比目前汽车上使用的电池更加安全，更容易融入汽车设计中去。
液流电池将电化学蓄电池以及燃料动力锂电池的各个方面相结合。液体电解质存在于两个电池仓中并经过电池流通。系统中心有一层隔膜将两个电解质解决方法分隔，但仍能容许电荷流通，从而为动力系统制造动力。该系统的优势之一在于其采用体积较大的电池仓，也就意味着有着更高的能量密度。600V额定电压和50A额定电流下，该系统能不断输出30千瓦的最大功率。相比为当今电动汽车供应动力的锂离子电池技术而言，性能高出4倍，也就是说它的可行驶里程是同等重量传统元件的5倍。
QUANTF原型车中搭载了体积为200升的电池仓，储容量为120千瓦时。该车在低负载条件下，百公里能耗约为20千瓦时。公司表示，今后有望将电池仓的体积扩充至800升。车内配备了4台持续功率为120千瓦、峰值功率为170千瓦的电机，可通过扭矩分配实现四驱驾驶，也能作为车内两个超级电容器的备用能量储蓄装置。每个车轮单独峰值扭矩可达到2900牛˙米。百公里加速耗时仅需惊人的2.8秒。
3.Sakti3固态电池技术突破电动汽车里程翻倍至近800公里
座落在美国密歇根州第六大城市安娜堡的锂离子电池初创公司Sakti3近日获得了英国家电巨头戴森(Dyson)1500万美元的投资，这家专门从事锂离子电池研发的创业公司手中握有一项绝技，那就是Sakti3研发的电池能量密度达到每升1000瓦时，这是目前普通锂离子电池的两倍，智能手机、笔记本电脑和电动汽车的电池性能将因此大大提高。
Sakti3的神秘电池使用了新型材料和生产技术，实现更高的能量密度，他们声称可以存储每升1000瓦时，电动汽车的续航里程能从256英里提升到480英里(约772公里)，制造成本低，充放电速度快，更环保，而且比有些标准更安全。这项技术弃用了传统锂离子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，最重要的是，它的价格更低，每千瓦时约100美元，要远低于目前200到300美元的市价，未来能够应用于受限于成本和里程限制的电动汽车。
目前，Sakti3的锂离子电池技术在处于研发阶段，距离商品化还要“数年”。很多电池初创公司都在努力将实验室技术转化成真实商品，但是一直也没有重大突破，部分原因在于他们的原型产品是定制的，要使用昂贵的制造技术，难以批量生产。而Sakti3的原型产品则采用了标准生产设备，经过完善升级，实现商业化的可能很大。
4.大众汽车：电池成本下降能量密度提高
大众汽车集团首席执行官马丁˙文德恩(MartinWinterkorn)日前透露，公司正在开发“超级电池”(Super-battery)，可大幅提升电动汽车续航里程，当下接近在新电池技术上取得突破。
文德恩在接受德国媒体采访时表示：大众正在加利福尼亚州硅谷研发一款超级电池，新电池价格更低，体积更小，动力更强劲。一款电动版大众品牌车型(在搭载超级电池后)纯电动续航里程有望达到300公里(186英里)。
那么，大众将采用何种技术大幅提升电池能量密度?并且显著改善电动汽车续航里程?目前焦点重要聚集在现有锂离子电池升级版解决方法，以及较新颖的固态电池技术两个方向。
在成本降低方面，大众汽车品牌董事会成员主管研发业务的Heinz-JakobNeusser透露，目前正计划统一电池组规格，希望未来所有的电气化车辆可以转向单一的锂离子电池单元设计。统一规格必然将会带来成本的下降，目标是通过简化电池单元设计降低66%的电池成本。
5.LGChem电池新技术让电动汽车能跑500公里
韩国电池巨头LGChem宣布开发出新技术，电动汽车充电一次可行驶400-500公里，里程加倍，预计2017年就能量产。
目前，一般电动汽车充电后仅能行驶不到200公里。LGChem副会长兼首席执行官朴镇洙(ParkJin-soo)表示，该公司已研发出新技术，电动汽车行驶里程能增至400-500公里，产品不久就将投产，但是拒绝透露更多细节。而LGChem动力锂离子电池事业部掌门人PrabhakarPatil近日接受外媒专访时预计，2017年LG化学会再次取得重大技术突破，这比他原来预期的快，“到2017年或2018年，3万美元、续航200英里(约321公里)的电动汽车将成为商业化主流产品。”虽然通用汽车公司还没有证实即将推出的2017款雪佛兰BOLT纯电动汽车是否会使用LG化学的电池，但业内已普遍认为会是这样。
二、无法商业化为何电池技术就是没有突破?
假如你想要一款加速度体验良好的车，特斯拉ModelS绝对能满足你。当然，像这样的电动汽车不仅能够带来良好的驾驶体验，相比较于传统汽油车，它也不会对环境造成污染。但是，从电动汽车诞生至今，它都只是占了很小一部分市场份额。重要的原因是电动汽车的电池昂贵而且要经常充电。可是，为何电池性能一直以来都不见起色?
在过去的数年中，有无数的电池技术研究取得突破性的进展，但是这些当中，鲜少能够被商业所使用，兑现低成本和多容量的承诺。比如成立于2001年的锂离子电池初创公司A123Systems，曾宣称，能将锂离子电池的磷酸锂铁正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒，因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的放电功率，而且，整体稳定度和循环寿命皆未受影响。但最终于2012年以失败告终。原因是，不能够量产它所描述的那些锂离子电池，也不能安全有效地转换电量。
2012年，位于美国加州的电池公司EnviaSystems在华盛顿重大的会议上宣称，研发出能量密集型电池，单位重量的锂离子电池储存能量是目前电池的两倍，而且成本降低一半。通用汽车一听说能研发如此高能电池的Envia，马上向其投资了700万美元，希望在电动汽车业务上进行合作。到了2013年，Envia都没有兑现它所宣称的“惊人效果”，导致失去资助资金以及通用汽车公司的合作伙伴关系。另外，这家公司也受到美国高级能源研究计划署ARPA-E的重视。只能说，Envia令人印象深刻的电池让人兴奋也让人落空。
事实上，在电池行业中，由于电池技术的高门槛，初创公司难以单独存活。因此，电池行业一般都是由大公司主导。A123Systems前高管AndyChu说：能量存储是一个“大头”玩的游戏，因为在研发电池中稍有不慎将会铸成错误。虽然我希望电池初创公司最终会取得成功，但通过这几年的历史，(大家都可以看见，这些公司的)下场都不太好。
在过去的十年里，我们见证了电池行业“突破性”的进展，但是这些都是来自大公司的一些稳定小进步。
Envia的电池是一种新型的锂离子电池，发明于70年代末80年代初，商业运用于90年代。它们变成一种便携式电池，被人们用于电动汽车上。
早在90年代，通用汽车在其电动汽车EV-1上使用廉价的铅酸蓄电池，不仅车辆行驶的里程数较少，车上的铅酸蓄电池也十分笨重。
到了2008年，特斯拉引进锂离子电池的电动汽车，虽然里程数比EV-1多了，但是价格昂贵。于是，有汽车制造商如日产汽车和通用汽车为了降低价格，打造出里程数少的电动汽车，其实重要减少电动汽车的锂离子电池。
假如改变了电池中的某一部分比如引进一个新电极，所带来的的问题是难以预见的。有些问题甚至要几年时间才能检测到。当年，为了达到投资者和ARPA-E的期望，Envia不是融合了一种电极材料而是两种实验性的电极材料进行研发。(其实，Envia还是蛮拼的，只不过，事情的结果就这样罢了)在2006年，Envia授权阿贡国家实验室ANL的研究人员研发一种很有前景的电池材料，但是，一个严重的问题出现了：随着时间的推移，电池的电压改变后，它就无法使用了。尽管ANL的研究人员深入研究这个问题，但原因仍无法无法得知。除了这个，Envia还面对一个挑战：基于硅的电池电极问题。研究人员看似解决了这个问题：提出一套无法在实际中操作的解决方法。这让Envia的研究人员们感到十分奔溃。
但是随着时间的推移，以上这些大大小小的问题都差不多解决的时候，Envia发现，电池中复合材料的微小变化都会改变整个电池的性能。当然，Envia认为最终不能实现惊人效果的结果，是因为他们的电池材料供应商中有某些污染材料。当然，这个污染来自哪里是什么，似乎也没有人了解。
其实，Envia的故事很鲜明告诉大家，电池的进展包括性能与成本，不是来自突破性技术，而是来自像特斯拉与其电池供应商松下的密切合作关系。自从08年以来，特斯拉的电池成本降低一半，电容量新增60%。特斯拉并没有刻意去改变电池的化学或者材料，而是提高制造效率和改进生产。还与松下一起根据汽车的需求进行适当的电池优化。
虽然很难想象特斯拉在锂离子电池上进行微调整获得持续性的发展，因为锂离子电池的进步空间并不十分“宽敞”。或许到最终要像Envia这样彻底整改，才能获取电池的跨越性进步。不过，至少Envia告诉我们，提高电池性能必须要密切结合制造业和工程技术，要生产实际使用的产品。
虽然以上内容看似在回顾Envia的历史，但是这也是电池发展的一个缩影。近二十多年来，科技飞速发展。计算机从电子管元件时代演变成今天的超大规模集成电路，往日笨拙巨大的计算机如今小到能装进我们的口袋中。而电池，更像一个后进生，迟迟不能跟上发展的步伐。或许也正是以上这些原因造成现在的局面。(本文来源：雷锋网作者：橙太白)
