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(kāi)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?jī)赡暝黾右槐?，電池的能量密度也?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(lèi)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(chē)，無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)交付，航空運(yùn)輸，飛行出租車(chē)。這是一個(gè)新時(shí)代，我們需要一種新型電池來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力，無(wú)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(kāi)始，具有石墨基陽(yáng)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(yáng)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)。現(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(méi)有宣布有望改變世界的新電池技術(shù)，那么幾乎沒(méi)有一周過(guò)去。雖然繼續(xù)取得重大進(jìn)展，但大多數(shù)聲稱(chēng)性能改進(jìn)的主張樂(lè)觀主要來(lái)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(lái)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(zhuān)注于材料而非工藝，并努力開(kāi)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(lái)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(lái)開(kāi)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(lái)說(shuō)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(shuō)。

SolidEnergy電池性能的關(guān)鍵是使用鋰金屬箔作為陽(yáng)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(zhǎng)壽命而著稱(chēng)。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(lái)制造更大的可充電電池帶來(lái)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(shuō)。

當(dāng)鋰金屬箔陽(yáng)極用于可充電電池時(shí)，會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)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(yáng)極。利用鋰金屬陽(yáng)極，這些離子鍍?cè)阡嚱饘俚谋砻嫔希硐氲厥蔷鶆虻膶?。然而，?shí)際上，金屬鋰的電鍍通常形成稱(chēng)為樹(shù)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(yáng)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(zhǎng)的解決方案是放棄使用鋰金屬陽(yáng)極并在鋰離子電池中使用石墨陽(yáng)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(zhǎng)。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(chē)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(shù)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(zhǎng)限制了鋰電池的充電速度。

如果你想制造一個(gè)鋰金屬陽(yáng)極，一個(gè)技巧是用一種允許鋰離子流到陽(yáng)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(shù)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(zhuān)有的。Hu解釋說(shuō)，充電過(guò)程中對(duì)鋰的樹(shù)枝狀生長(zhǎng)的抑制需要特殊的涂層，一種控制電壓和電流的特定和專(zhuān)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(zhǎng)。理想地，如果滿(mǎn)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(wú)人機(jī)的電池，例如由軍方操作的無(wú)人機(jī)。SolidEnergy無(wú)人機(jī)電池采用的鋰金屬陽(yáng)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(wú)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(wú)法使用這些特殊的無(wú)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(guó)或韓國(guó)合作伙伴來(lái)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(wèn)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(wú)人機(jī)電池銷(xiāo)售開(kāi)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(chē)市場(chǎng)，”胡說(shuō)。“現(xiàn)在這些電動(dòng)汽車(chē)可能是陸地上帶輪子的汽車(chē)，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(chē)。那將是2021年及以后，“他說(shuō)。

“這很令人興奮，”胡繼續(xù)說(shuō)道。“我希望從現(xiàn)在起幾年后人們會(huì)說(shuō)，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(kāi)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(mén)斯30多年來(lái)一直在撰寫(xiě)有關(guān)能源，汽車(chē)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(chē)的世界陸地速度記錄。

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