日前,有新闻称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,日前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。

这里有必要介绍下24M公司的创始人,他是麻省理工学院教授、A123电池公司前创始人之一蒋业明。其中,通用汽车的插电混合动力汽车沃蓝达、上海汽车的荣威550插电版都是用A123公司的电池。蒋业明这个名字在电池界很知名,他除了搞磷酸铁锂电池(比亚迪电动车用的就是磷酸铁锂电池)以外,还与同事于5年前提出了“半固态液流电池”的概念,这些年他一直在做商用的努力。

蒋业明是台湾人,美国工程院院士,台湾中央研究院院士,麻省理工学院材料系教授,研究过用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池。在全球材料科学家中排名66位。算是电池行业的世界顶级专家。

麻省理工研究的“半固态锂液流电池”,究竟什么样?-唯轮网

先说说“液流电池”是个什么东西

我们目前用的绝大部分电池都来自于一个古老的模型——公元1800年的原电池。这个东西的原理就是有正极,有负极,有电解液,然后电子流动就有了电。

家里的土豆、柠檬、苹果,插上一个铜片,一个锌片就可以带动电子钟,就是这个原理。

麻省理工研究的“半固态锂液流电池”,究竟什么样?-唯轮网

最近300年来,人们不断寻找正极和负极材料,提升能量密度,无论是干电池、镍镉电池还是流行的锂电池,都是材料的升级。原理和家里DIY的土豆电池,苹果电池是完全一样的。

无论材料怎么升级,传统的电池对活性物质的利用率很低,能够产生电能的物质被包裹在必须的非活性物质之中。在我们常见的锂电池里面,锂材料只含电池重量的2%左右。这些非活性物质增加了电池成本,还降低了活性物质的利用率。

因为传统电池的这些弱点,人们发明了液流电池。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,集中反应产生电能。这样无需昂贵的附加材料,可以大大提升效率。

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(液流电池的工作原理)

其实,液流电池并非那么完美

既然液流电池这么好,效率这么高,为什么还没有被广泛采用呢?

这是因为液流电池不仅仅有优点,它的缺点也很多。

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了(参照:手机,平板的和这个差不多,而动力电池远远低于这个)。

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,只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。

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(半固态锂液流电池)

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(你可以想象成塑胶袋包着两团泥浆),电池不仅可弯曲、折叠,即使被子弹穿过也不会受损,安全性耐用性都有很大的优势。

电池革命真的来了?

理论上,蒋业明的这种电池能量密度更高,价格更低(据他估计,到2020年,每千瓦时容量的成本将降至100美元以下,而目前中国产的最便宜的动力锂电池也得300美元以上),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,品质控制,测试标准,量产工艺这些东西都得从头摸索。现在的电池生产线不能用。

于是,这些年蒋业明的24M公司就一直在干从实验室到量产的事情,要解决新结构电池量产中遇到的各种问题。

麻省理工研究的“半固态锂液流电池”,究竟什么样?-唯轮网

一开始,蒋和他的几个同事用纯手动模式试枣,然后逐渐形成了一条手工的生产线。熟能生巧,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,最终打造出了一个工业化的生产平台,让电池的能量密度和生产速度都发生了质的变化。投资人对 24M 取得的进展非常满意,给了24M 高达 5450 万美元的融资。

而24M公司已经在原型生产线上制造了大约10000块这样的电池,其中大部分正在接受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,这是非常令人激动的。在电池历史上,这个成就是可以与当年索尼发明锂离子电池相提并论的。

不过,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。

因为这些设备用的电池太小,成本太低。几千元的手机,电池成本是10元还是20元影响不大,而新的电池还需要做各种测试,重新设计电池仓,得不偿失。

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。

特斯拉汽车如果用这种电池,价格立即就能变得平易近人,而且续航里程也会更长。用到特斯拉的家庭储能设备上,价格也会立即下降。而且这种电池更安全,不怕普通的碰撞,这对电动车的安全性很有好处。

电池革命这次也许真的来了,也许只要3-5年,我们的世界就会完全不同。

via:leiphone