这么多前沿技术,为什么还是没有出现超级电池?

2015-07-26 20:29:22来源: 第一电动网

    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增加能量。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案。

 

手机电池貌似提高很快,动力电池呢?

    消费级市场(笔记本、手机、MP3等)作为锂离子电池(下称锂电池)最早的“东家”,为锂电池的推广做出了巨大的贡献。今天,智能手机大行其道,电池再一次成为了制约智能手机发展的关键因素之一。这与如今的新能源汽车市场有几分相似。

    对于电池能量密度的描述,一般有质量比能量和体积比能量两种说法。所谓质量比能量,就是每kg电池所携带的能量的多少,比如动力电池市场,多是以质量比能量去描述的。所谓体积比能量,一般指电池单位体积下所承载的能量的数量。目前主流手机电池的容量在2000~3000mAH,这样的容量的电池,其质量往往只有几十克,所以在移动消费级市场中,更关心的是电池的比体积能量。

    反观近十年手机电池的发展,大概可以分为三个阶段。

    第一个阶段,锂离子聚合物电池的兴起。

    传统的锂离子电池使用的是普通液态锂电解质,但是在2005年以后,聚合物电解质的锂离子电池开始崭露头角。相对于之前的液态锂离子电池来说,聚合物锂离子电池除了在电化学特性上更有优势外,更重要的,是塑型更加灵活,能让电池做的更薄,体积利用率更高。

    第二个阶段,手机电池的稳定期。

    2010年以前,尤其是2007年以前,锂离子聚合物电池的兴起让手机电池容量有了长足的提高。但是随着技术的成熟,电池比能量提高的速度开始减缓。更重要的是,随着电池能量的加大,安全问题开始浮现在我们眼前。很多厂家开始着眼于提高电池的安全性指标,在电池的外壳防护上下了一些功夫。虽然不能提升电池的能量密度,但是在长期发展来看,还是必要的。因为能量密度增加,出现问题的损失也会越大。

    第三个阶段,手机电池的第二次能量密度提升。

    到2013年以后,手机电池开始有一次的提升了能量密度。这里面有材料的原因,电池厂家通过改善工艺,提高了材料的压实密度,或通过其他的手段,让电池的容量有了进步。同时,即iPHONE之后,市场上越来越多的手机电池变得不可拆卸。通过电池和手机的“一体化”,省去了原来电池的硬壳保护,提升了电池的能量密度,或者根据电池结构,开发异型电池等。除此以外,更直接的一种方法,是提高电池的电压。普遍的,通过将电压平台提高0.1V左右,提高电池的能量。这与前一段比亚迪的磷酸铁锰锂电池有异曲同工之妙。

    目前,主流的手机电池能量密度保持在600Wh/L左右,有些厂家的产品会稍微高一些,比如小米手机,电池能量密度在620Wh/L以上,一款金立手机能量密度达到650Wh/L。使用的哪种手段,还请对号入座。曾有报道说,当能量密度达到700Wh/L的时候,可能使电池的可充分循环寿命小于300次,爆炸的隐患大大增加。

    既然提高电压有如此多的害处,为什么大家还要这么去做呢?这让我想起了一个故事。以前圆珠笔和钢笔的笔芯粗细度是一样的,但是有一个问题,就是圆珠笔书写2万字左右,就会出现漏油,主要原因就是笔珠的磨损寿命就在2万字左右,当所有人都在研究耐磨材料的时候,有个叫田腾山郎的日本人,开发了一款产品,就是让笔芯的油墨在2万字之前用完。这与现在的手机电池的研发思路有相似之处。

    智能手机,已不再是当年“用到坏”传统手机,而是像电脑一样,用一段之后,就需要更新升级。因此可能还没到电池出现问题的时候,手机已经淘汰了。虽然我个人认为,提高电池电压平台,实际上是一个比较冒险的方式,对电池的稳定性和寿命,都有着潜在的影响。但是目前看,适当的提高一点电池的工作电压,起码市场对这种做法还是接受的。

    新的电池技术虽然是鼓舞人心的,但是任何的新技术,新材料都需要经过相当长的一个转化过程,才能成为商业的产品,比如锂电池,最早的锂电池的概念要追溯到上个世纪的六七十年代,之后液态锂离子电池和聚合物锂离子电池也是经历了十几年发展,才有了今天的状态。但是最近几年智能手机硬件发生了突飞猛进的进步,小小的手机性能,可以与一台个人电脑相媲美,这样电池技术有点吃不消了。所以虽然手机续航不一定是国民痛点,但起码也是短板之一。

    很多人关心动力电池和消费级电池的区别。我觉得,从电池的角度来说,是没有本质的区别的。但是由于产品应用条件不同,所以设计的理念和思路也是不同的,从而导致我们所看到不同领域电池的产品属性,有很大区别。在消费级电池领域,没有五花八门的正极材料;而在动力电池领域,也很少谈到关于电解质变化对性能的影响。在能量密度方面,比如我们都知道2015年2月16日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。

    作为消费级电池来讲,早在2013年,其能量密度就超过200Wh/kg的水平了,这不但与优化材料和结构有关,高电压的做法更是功不可没。由于消费级电池一般不成组使用,即使成组,也是几支电池之间的串并联,与动力电池简直是数量级的差别;“BMS”直接管理电芯;充放电电流较小;热管理也相对容易;一般来说,消费级电池质保期也只有1年,所以这种做法是完全可以满足消费级电池市场的需求的。但是在动力电池市场,可能就行不通了。动力电池的要求,相对要高更加综合,既有安全性的考虑,又有成本方面的评价,同时还有性能方面的要求。虽然在特斯拉身上,似乎完成了一次消费级电池与新能源汽车的完美结合,但是车的定位和价格,和我们期望中家用级的新能源汽车还是有一定差距的。

    磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料、锰酸锂……各种正极材料冲击能量瓶颈的同时,我想是不是应该停下来考虑一下安全和其它的问题。消费市场,动力市场,储能市场,锂离子电池是不是能解决所有的问题。任何的电池可能都有他的适用环境。比如燃料电池,无论是作为新能源汽车的动力单元,还是作为市政供电设备来说,其电池特性上都是非常合适的,但是与现有锂离子电池体系相比,开发小型燃料电池便携设备可能使比较困难的。在高喊的技术突破的时候,更冷静的考虑一下锂离子电池的局限性。因为只有意识到这些局限性,才有可能探索新的电池体系。当然不得不承认,随着技术的推进,将来发展具有更高能量密度,并且能满足商业应用需求的新的电池体系,而且要求新体系所使用的材料要求环境友好,成本低廉,材料易获得,变得越来越困难了。因此,在发展锂离子电池的同时,我呼吁要对那些已经发现但并未充分商业化的电池体系,投入更多的精力和资源。

无法商业化,为何电池技术就是没有突破?

    如果你想要一款加速度体验良好的车,特斯拉Model S绝对能满足你。当然,像这样的电动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,从电动车诞生至今,它都只是占了很小一部分市场份额。主要的原因是电动车的电池昂贵而且需要经常充电。可是,为什么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A123 Systems,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Envia Systems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。A123 Systems前高管Andy Chu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。

电池成本降速比预期快,3年内将降到230美元/千瓦时

    现在,电动汽车的价格比普通燃油车贵很多,很多人认为电动汽车进入大众汽车消费市场将永无出头之日,虽然燃料和维保费用能省不少,但是较高的初次购买价格仍然会吓跑不少消费者。地球人都知道,电动汽车就是贵在电池,但可喜可贺的是,国外一项最新研究称,锂离子电池的成本价格一路在下降,而且速度比以前的预估要快。

    据The Carbon Brief报道,早在2013年,国际能源属(IEA)曾经预测,到2020年,电动汽车电池成本将下降到300美元/千瓦时。然而,NatureClimate Change的研究人员认为,电动汽车行业可能已经提前达到了这一目标,2007年至2014年之间,全行业平均成本从1000美元/千瓦时下降到410美元/千瓦时,平均每年下降14%。某些领先企业,例如日产和特斯拉已经跨越了IEA预测的300美元/千瓦时屏障,去年起电池成本很可能已经更便宜,价格可能比最近许多同行的评估低2至4倍,每年降幅为8%。

    这项研究结果是基于同业评审学术刊物、机构测算、咨询和行业报告、媒体报道、电池厂商和汽车制造商等85个成本预测得出的。由于制造商不愿向公众披露自己的真实成本,因此,前面所提到的数据不是完整的数据。

电池成本估算和预期

    100美元/千瓦时经常被看作是电动汽车能与普通燃油车进行价格竞争的基准。为了追求削减成本,导致替代锂离子化学成分的各种研究大量投入。

    研究人员预计,2017-18年,电池成本将会降到230美元/千瓦时。以美国为例,目前油价很低,预计电池成本只有低于250美元/千瓦时,电动汽车的价格才能更有竞争力。如果电池成本再进一步跌破150美元/千瓦时,那么电动汽车市场就会发生量变,车辆技术也将因此发生潜在转变。

    要想达到上述水平,即使是在当前的势头下,即使电池单体化学技术已经实现了许多进步,但电池成本价格的大幅下降也不可能在一夜之间发生。研究人员认为,这些新的研究仍然很遥远,只有市场规模的扩大更可能带来成本的下降。

    特斯拉汽车公司正在验证研究人员的论断,当位于内华达州的Gigafactory超级电池工厂在2017年启动后,就会产生足够大的市场规模,从而实现Model 3电动轿车35000美元的平民低价,这意味着电池成本将降低30%。另一方面,雷诺-日产也计划在2016年实现可供150万辆电动汽车使用的电池产能。

    研究人员称,整体而言,在不久的将来,即使技术没有出现大的突破,规模经济效应也有可能推动电池成本下降到200美元/千瓦时。如果这项研究的预测是正确的,那么电动汽车市场的发展规模可能会超过预期,这是一件好事。

    从长远来看,汽车制造商必须在盈利的基础上生产电动汽车,然后加大销售力度,实现规模经济效应。日产汽车公司在在第一代聆风电动汽车上市后就设立了庞大的销售目标,如今确实说到做到,聆风是全球迄今销量最高的电动汽车,今年将突破20万辆大关。下一代聆风预计将提供120-150英里(193-240公里),甚至更多的续航里程,显然这会吸引更多的消费者,日产作为车企也会越来越有利可图。

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顶级专家。他除了搞磷酸铁锂电池以外,还与同事于5年前提出了“半固态液流电池”概念,这些年他一直在做商用努力。

     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,能够产生电能的物质被包裹在必须的非活性物质之中。在常见的锂电池里面,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,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,集中反应产生电能。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,为什么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,只需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。

半固态液流电池

    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。

    2.nanoFLOWCELL:液流电池可续航1000公里

    在3月5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QUANT F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。

QUANT F电动超跑

    液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合,相比为当今电动汽车提供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。

液流电池工作原理

    液流电池将电化学蓄电池以及燃料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案分隔,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提供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。

    QUANT F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的锂电池技术在处于研发阶段,距离商品化还需要“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,需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.大众超级电池: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(Martin Winterkorn)日前透露,公司正在开发“超级电池”(Super-battery),可大幅提升电动车续航里程,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?并且显著改善电动车续航里程?目前焦点主要聚集在现有锂离子电池升级版解决方案,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-Jakob Neusser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.LG Chem电池新技术,让电动车能跑500公里

    韩国电池巨头LG Chem宣布开发出新技术,电动车充电一次可行驶400-500公里,里程加倍,预计2017年就能量产。

    目前,一般电动车充电后仅能行驶不到200公里。LG Chem副会长兼首席执行官朴镇洙(Park Jin-soo)表示,该公司已研发出新技术,电动车行驶里程能增至400-500公里,产品不久就将投产,但是拒绝透露更多细节。而LG Chem动力电池事业部掌门人Prabhakar Patil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。

关键字:超级电池

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0726/article_11220.html
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