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德國(guó)團(tuán)隊(duì)做了一款水晶電池：能量密度提高一倍，原材料成本還降低1/3

時(shí)間:2022-05-05 11:58來(lái)源:極客公園 作者:周永亮
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上游原材料短缺的問(wèn)題，已經(jīng)成為制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。從2020年至今，新能源汽車電池的主要原材料——碳酸鋰的價(jià)格上漲了超過(guò)10倍，成本上升傳導(dǎo)到主機(jī)廠，后者無(wú)奈只能以漲價(jià)應(yīng)對(duì)。
 
即便強(qiáng)如特斯拉，也無(wú)法獨(dú)善其身。在最近的財(cái)報(bào)電話會(huì)議，特斯拉CEO馬斯克呼吁：加大對(duì)鋰礦開(kāi)采的投資，以填補(bǔ)由于電動(dòng)汽車的普及而造成的巨大供需缺口。
 
他表示，電池生產(chǎn)，更確切地說(shuō)，鋰是全球電動(dòng)汽車普及的「根本限制因素」�！肝覀冋J(rèn)為，我們需要在這方面幫助這個(gè)行業(yè)。實(shí)際上，目前鋰業(yè)的利潤(rùn)率幾乎等同于軟件行業(yè)。」
 
Theion 首席技術(shù)官 Marek Slavik（左）和首席執(zhí)行官 Dr. Ulrich Ehmes 介紹水晶電池的硫晶體
 
應(yīng)對(duì)當(dāng)下的困境，行業(yè)一方面加快上游原材料的開(kāi)采節(jié)奏，另一方面也在大力研發(fā)下一代的電池。鋰硫電池被認(rèn)為是潛在的候選之一。最近，德國(guó)初創(chuàng)公司Theion交出了他們的「答卷」，推出了應(yīng)用場(chǎng)景多元的水晶電池，并開(kāi)始推進(jìn)商業(yè)化落地。
 
01
 
什么是水晶電池？
 
Theion的水晶電池屬于鋰硫電池的一種。它是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。鋰硫電池因?yàn)槠漭^高的理論容量（1675mAh/g）和功率密度（2600Wh/kg），資源豐富和價(jià)格低廉以及對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，一直受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。
 
當(dāng)然，任何一枚硬幣都有兩面。鋰硫電池的缺點(diǎn)也尤為明顯，主要是硫的導(dǎo)電性差、充放電過(guò)程中電極體積膨脹、存在著穿梭效應(yīng)，以及陽(yáng)極會(huì)有鋰枝晶生成等，這些瓶頸問(wèn)題一直影響著鋰硫電池的商業(yè)化。
硫熔化形成晶體
 
為了解決這些問(wèn)題，Theion首席執(zhí)行官UlrichEhmes博士告訴「極客公園」，他們?cè)趦蓚�(gè)方面做了突破：第一，他們采用的硫，不是粉末，而是硫晶體，這樣可以提高電池的能量密度；第二，他們研制了特殊形式的碳納米管涂層，可以保證電池性能更加穩(wěn)定。
 
擁有數(shù)十年管理經(jīng)驗(yàn)的Ehmes博士，非常清楚材料的重要性，它能解決高能量密度、短充電時(shí)間、長(zhǎng)循環(huán)壽命和成本等問(wèn)題，也是在電池行業(yè)成功的關(guān)鍵。
 
目前，Theion的第一代技術(shù)已經(jīng)將鋰硫電池的能量密度做到了500Wh/kg，他們的目標(biāo)是在2023年，把第二代技術(shù)將鋰硫電池的能量密度提高到700Wh/kg；在2024年，第三代技術(shù)將鋰硫電池的能量密度提高到1000Wh/kg。
 
這已經(jīng)遠(yuǎn)高于當(dāng)前主流電池的水平。目前動(dòng)力電池主要有兩條技術(shù)路線：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，它們的能量密度分別在250Wh/kg和160Wh/kg左右。更重要的是，鋰硫電池的理論能量密度上限更高（2600Wh/kg），未來(lái)提高的空間更大。
 
同時(shí)，目前主流的鋰離子電池，主要是由五種材料（鎳、鈷、錳、鋰和石墨）加工而成。除了石墨，其他四種原材料價(jià)格大幅上漲，也增加了電池的生產(chǎn)成本。相比之下，硫成本與NMC811（電池正極材料鎳鈷錳比例為8:1:1）相比，節(jié)省了99%。一般來(lái)說(shuō)，正極材料成本占電池成本的1/3。如果正極材料下降到之前的1%，也就意味著整體成本下降了大約1/3；同時(shí)，通過(guò)新生產(chǎn)工藝，水晶電池可以節(jié)省90%能源。
 
除了能量密度和成本，循環(huán)次數(shù)也是衡量電池性能的重要指標(biāo)。目前，水晶電池能達(dá)到500次左右的循環(huán)次數(shù)，低于當(dāng)前三元鋰電池（1000次到2000次）和磷酸鐵鋰電池（3000次左右）。不過(guò)，Ehmes博士表示，他們接下來(lái)會(huì)持續(xù)更新和迭代產(chǎn)品，提升水晶電池的循環(huán)次數(shù)。
 
其實(shí)，鋰硫電池并非什么新鮮事物，對(duì)它的研究從上世紀(jì)70年代就已經(jīng)開(kāi)始。目前，歐美等國(guó)家的鋰硫電池研究是以產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)。
 
英國(guó)的Oxis能源公司，此前成功測(cè)試了一款能量密度達(dá)到471Wh/kg的電池電芯樣品，并與部分歐洲車企簽訂了采購(gòu)合同；美國(guó)的SionPower公司，主要側(cè)重?zé)o人機(jī)和軍用編寫電池以及電動(dòng)車領(lǐng)域。2010年，該公司就曾把鋰硫電池應(yīng)用到大型無(wú)人機(jī)上，打破當(dāng)時(shí)飛行高度、連續(xù)飛行時(shí)間和工作溫度最低三項(xiàng)無(wú)人機(jī)紀(jì)錄。
 
相比之下，中國(guó)的鋰硫電池研究主要是以科研機(jī)構(gòu)和高校為主，電池公司為輔。
 
西安交大材料學(xué)院柳永寧教授課題組，通過(guò)調(diào)控氧空位來(lái)促進(jìn)氧化銦在鋰硫電池中的催化活性；中科院大連化物所研制的能量型鋰硫電池比能量從520Wh/kg逐步提升到609Wh/kg，刷新了二次電池比能量在同領(lǐng)域的領(lǐng)先位置；南京大學(xué)周豪慎教授課題組開(kāi)發(fā)出的鋰硫電池，在進(jìn)行1500次循環(huán)試驗(yàn)后，仍然維持了900mAh/g的較高充電容量……
 
除此之外，國(guó)軒高科、猛獅科技、桑頓新能源等部分動(dòng)力電池企業(yè)，也在鋰硫電池技術(shù)研發(fā)上形成了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。
 
02
 
加速商業(yè)化
 
雖然相比鋰離子電池，鋰硫電池具有更高的比容量和能量密度，但它的商業(yè)化之路卻走得更加艱難。
Theion電池專家團(tuán)隊(duì)
 
Theion雖然只是一家初創(chuàng)企業(yè)，但他們已經(jīng)開(kāi)始著手讓水晶電池走出實(shí)驗(yàn)室，加速商業(yè)化。據(jù)了解，Theion總部位于柏林，在當(dāng)?shù)卦O(shè)有三個(gè)辦事處，有12個(gè)員工，超過(guò)一半都持有博士學(xué)位。
 
Ehmes博士介紹，Theion目前還處于初期，需要的是最杰出、最優(yōu)秀的人才，現(xiàn)階段還不需要一個(gè)超大的團(tuán)隊(duì)。隨著項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)會(huì)不斷擴(kuò)大。
 
根據(jù)Theion公司的規(guī)劃，他們的水晶電池將在2022年底，對(duì)第一批用戶提供產(chǎn)品內(nèi)測(cè)。目前，他們正跟歐洲的航天公司溝通合作的事情，因?yàn)椤杆麄冃枰貏e輕的組件」。2023年，Theion將開(kāi)始向航空、移動(dòng)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域提供水晶電池；并在2024年則擴(kuò)展到汽車和飛行汽車領(lǐng)域。
 
值得一提的是，2024年計(jì)劃為電動(dòng)汽車提供的水晶電池，可以實(shí)現(xiàn)充電一次續(xù)航里程超過(guò)1000公里，快速充電小于10分鐘。這樣的數(shù)據(jù)，優(yōu)于當(dāng)前主流新能源汽車電池的性能水平。
 
之所以采取這樣的策略，或許跟Theion主要投資者TeamGlobal有關(guān)。據(jù)了解，TeamGlobal是一家歐洲技術(shù)控股公司，專注投資和創(chuàng)辦前沿科技公司。此前，TeamGlobal已經(jīng)投資了許多航空航天初創(chuàng)公司，比如Autoflight、Volocopter、MILESmobility和ArcherAviation。
 
Theion也有計(jì)劃進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。Ehmes博士表示，中國(guó)是全球重要的移動(dòng)設(shè)備及海陸空交通工具產(chǎn)地�？紤]到客戶群，Theion水晶電池未來(lái)發(fā)展與中國(guó)市場(chǎng)緊密相關(guān)。當(dāng)前，他們的目標(biāo)是將水晶電池的應(yīng)用推廣至歐洲的航空航天領(lǐng)域。接著，他們將考慮進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，有可能在中國(guó)建設(shè)超級(jí)工廠。
 
電池技術(shù)過(guò)去幾十年歷經(jīng)數(shù)次迭代，從鉛酸電池到鎳氫電池，再到今天的鋰電池、鋰硫電池，都各有優(yōu)缺點(diǎn)。相比之下，三元鋰電池能量密度大，但安全穩(wěn)定性仍存短板；磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是安全穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，但能量密度相對(duì)遜色、產(chǎn)品一致性也較差；氫燃料電池環(huán)保、續(xù)航里程長(zhǎng)，但成本偏高；鋰硫電池性價(jià)比較高，能否在眾多電池中脫穎而出，令人期待。
 
Ehmes博士表示，可能不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)電池的要求也各不相同。目前，很多實(shí)驗(yàn)室和機(jī)構(gòu)，都提出了各自的方案，但最大的挑戰(zhàn)是用這個(gè)方案去撬動(dòng)現(xiàn)實(shí)的市場(chǎng)，把這些技術(shù)真正應(yīng)用到社會(huì)生活。
 
同時(shí)，他也表示，在商業(yè)化的過(guò)程中，電池行業(yè)的突破點(diǎn)，在于供應(yīng)鏈。當(dāng)前，新能源汽車就受困于這一點(diǎn)，因?yàn)樵牧蟽r(jià)格上漲影響到制造成本，最終傳導(dǎo)到了消費(fèi)端。未來(lái)的電池行業(yè)，供應(yīng)鏈要更加平穩(wěn)，價(jià)格波動(dòng)更小，這是Theion未來(lái)努力的方向。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 水晶電池
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