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  • 德國團隊做了一款水晶電池:能量密度提高一倍,原材料成本還降低 1/3

    摘要

    新技術能拯救電池短缺嗎?

    上游原材料短缺的問題,已經成為制約新能源汽車產業發展的瓶頸。從 2020 年至今,新能源汽車電池的主要原材料——碳酸鋰的價格上漲了超過 10 倍,成本上升傳導到主機廠,后者無奈只能以漲價應對。

    即便強如特斯拉,也無法獨善其身。在最近的財報電話會議,特斯拉 CEO 馬斯克呼吁:加大對鋰礦開采的投資,以填補由于電動汽車的普及而造成的巨大供需缺口。

    他表示,電池生產,更確切地說,鋰是全球電動汽車普及的「根本限制因素」?!肝覀冋J為,我們需要在這方面幫助這個行業。實際上,目前鋰業的利潤率幾乎等同于軟件行業?!?/p>

    Theion 首席技術官 Marek Slavik(左)和首席執行官 Dr. Ulrich Ehmes 介紹水晶電池的硫晶體

    應對當下的困境,行業一方面加快上游原材料的開采節奏,另一方面也在大力研發下一代的電池。鋰硫電池被認為是潛在的候選之一。最近,德國初創公司 Theion 交出了他們的「答卷」,推出了應用場景多元的水晶電池,并開始推進商業化落地。

    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,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。鋰硫電池因為其較高的理論容量(1675mAh/g)和功率密度(2600 Wh/kg),資源豐富和價格低廉以及對環境友好等特點,一直受到科學家們的廣泛關注。

    當然,任何一枚硬幣都有兩面。鋰硫電池的缺點也尤為明顯,主要是硫的導電性差、充放電過程中電極體積膨脹、存在著穿梭效應,以及陽極會有鋰枝晶生成等,這些瓶頸問題一直影響著鋰硫電池的商業化。

    硫熔化形成晶體

    為了解決這些問題,Theion 首席執行官 Ulrich Ehmes 博士告訴「極客公園」,他們在兩個方面做了突破: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定。

    擁有數十年管理經驗的 Ehmes 博士,非常清楚材料的重要性,它能解決高能量密度、短充電時間、長循環壽命和成本等問題,也是在電池行業成功的關鍵。

    目前,Theion 的第一代技術已經將鋰硫電池的能量密度做到了 500Wh/kg,他們的目標是在 2023 年,把第二代技術將鋰硫電池的能量密度提高到 700Wh/kg;在 2024 年,第三代技術將鋰硫電池的能量密度提高到 1000Wh/kg。

    這已經遠高于當前主流電池的水平。目前動力電池主要有兩條技術路線: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(2600 Wh/kg),未來提高的空間更大。

    同時,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,其他四種原材料價格大幅上漲,也增加了電池的生產成本。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,節省了 99%。一般來說,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,通過新生產工藝,水晶電池可以節省 90% 能源。

    除了能量密度和成本,循環次數也是衡量電池性能的重要指標。目前,水晶電池能達到 500 次左右的循環次數,低于當前三元鋰電池(1000 次到 2000 次)和磷酸鐵鋰電池(3000 次左右)。不過,Ehmes 博士表示,他們接下來會持續更新和迭代產品,提升水晶電池的循環次數。

    其實,鋰硫電池并非什么新鮮事物,對它的研究從上世紀 70 年代就已經開始。目前,歐美等國家的鋰硫電池研究是以產業主導。

    英國的 Oxis 能源公司,此前成功測試了一款能量密度達到 471Wh/kg 的電池電芯樣品,并與部分歐洲車企簽訂了采購合同;美國的 Sion Power 公司,主要側重無人機和軍用編寫電池以及電動車領域。2010 年,該公司就曾把鋰硫電池應用到大型無人機上,打破當時飛行高度、連續飛行時間和工作溫度最低三項無人機紀錄。

    相比之下,中國的鋰硫電池研究主要是以科研機構和高校為主,電池公司為輔。

    西安交大材料學院柳永寧教授課題組,通過調控氧空位來促進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域的領先位置;南京大學周豪慎教授課題組開發出的鋰硫電池,在進行 1500 次循環試驗后,仍然維持了 900mAh/g 的較高充電容量……

    除此之外,國軒高科、猛獅科技、桑頓新能源等部分動力電池企業,也在鋰硫電池技術研發上形成了一定的技術儲備。

    02 加速商業化

    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,但它的商業化之路卻走得更加艱難。

    Theion 電池專家團隊

    Theion 雖然只是一家初創企業,但他們已經開始著手讓水晶電池走出實驗室,加速商業化。據了解,Theion 總部位于柏林,在當地設有三個辦事處,有 12 個員工,超過一半都持有博士學位。

    Ehmes 博士介紹,Theion 目前還處于初期,需要的是最杰出、最優秀的人才,現階段還不需要一個超大的團隊。隨著項目的不斷推進,團隊會不斷擴大。

    根據 Theion 公司的規劃,他們的水晶電池將在 2022 年底,對第一批用戶提供產品內測。目前,他們正跟歐洲的航天公司溝通合作的事情,因為「他們需要特別輕的組件」。2023 年,Theion 將開始向航空、移動和可穿戴設備等領域提供水晶電池;并在 2024 年則擴展到汽車和飛行汽車領域。

    值得一提的是,2024 年計劃為電動汽車提供的水晶電池,可以實現充電一次續航里程超過 1000 公里,快速充電小于 10 分鐘。這樣的數據,優于當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 Team Global 有關。據了解,Team Global 是一家歐洲技術控股公司,專注投資和創辦前沿科技公司。此前,Team Global 已經投資了許多航空航天初創公司,比如 Autoflight、Volocopter、MILESmobility 和 Archer Aviation。

    Theion 也有計劃進入中國市場。Ehmes 博士表示,中國是全球重要的移動設備及海陸空交通工具產地??紤]到客戶群,Theion 水晶電池未來發展與中國市場緊密相關。當前,他們的目標是將水晶電池的應用推廣至歐洲的航空航天領域。接著,他們將考慮進入中國市場,有可能在中國建設超級工廠。

    電池技術過去幾十年歷經數次迭代,從鉛酸電池到鎳氫電池,再到今天的鋰電池、鋰硫電池,都各有優缺點。相比之下,三元鋰電池能量密度大,但安全穩定性仍存短板;磷酸鐵鋰電池的優點是安全穩定、壽命長,但能量密度相對遜色、產品一致性也較差;氫燃料電池環保、續航里程長,但成本偏高;鋰硫電池性價比較高,能否在眾多電池中脫穎而出,令人期待。

    Ehmes 博士表示,可能不同應用場景,對電池的要求也各不相同。目前,很多實驗室和機構,都提出了各自的方案,但最大的挑戰是用這個方案去撬動現實的市場,把這些技術真正應用到社會生活。

    同時,他也表示,在商業化的過程中,電池行業的突破點,在于供應鏈。當前,新能源汽車就受困于這一點,因為原材料價格上漲影響到制造成本,最終傳導到了消費端。未來的電池行業,供應鏈要更加平穩,價格波動更小,這是 Theion 未來努力的方向。

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