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    • 動力電池迎來史上最大顛覆式創新?解密硅納米線電池
    • 發布時間:2022/2/20 9:39:52
    •  當前最高能量密度電池!打敗特斯拉4680,打破動力電池能量密度天花板,6分鐘充滿80%。Amprius完成其第一批電芯能量密度達450Wh/kg的鋰電池,推動電動飛機商業落地。來自斯坦福的硅納米線技術加成,Amprius或將攪起動力電池行業一池春水。

       

       

      文丨智駕網 黃華丹

       

       

      比特斯拉4680的能量密度還高50%!

       

       

      外媒消息,美國創業公司Amprius已生產其第一批高能量密度鋰電池,其電芯能量密度達到 450 Wh/kg,1150 Wh/L 。

       

       

      作為參照,備受矚目的特斯拉4680電池,作為目前高能量密度、低成本電池的代表,其電芯能量密度約為300Wh/kg。

       

       

      而數據顯示,2021年三元鋰電池普遍能量密度徘徊在150Wh/kg左右。

       

       

      顧名思義,能量密度越高,根據所使用的單位,儲存同樣電量的電池重量或體積就越小。

       

       

      在一輛車留給電池的空間或重量確定的前提下,能量密度越高,儲存電量就越多,續航里程也就越長。

       

       

      就當前形勢而言,能量密度幾乎是目前電池行業,甚至是電動汽車行業向前大跨步最明顯的突破口。

       

       

      但要實現這個突破并不容易。

       

       

      而Amprius,這家幾乎名不見經傳的創業公司憑什么能實現質的跨越?

       

       

      其秘訣就在于Amprius使用的硅納米線負極材料。

       

       

      為什么使用硅納米線負極材料能實現能量密度的大幅提升?

       

       

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      硅納米線技術原理

       

       

      要解答這個問題,我們先來看一下鋰離子動力電池的結構。

       

       

      鋰離子動力電池一般由負極集流體,負極,隔膜,正極,正極集流體,極耳,電解液,絕緣片,外殼等構成。

       

       

      鋰電池的運作原理是:

       

       

      充電時,正極上的鋰原子脫去電子,被氧化成鋰離子,然后在電解液中運動,跑到負極,與流經外部電源的電子互相結合,還原成鋰原子,嵌入到負極材料的微孔中。

       

       

      而放電則是一個相反的過程。鑲嵌在負極材料中的鋰原子脫去電子,被氧化成鋰離子,回到電解液中,運動到正極,與流經的電子結合,再度還原成鋰原子。

       

       

      因而,提高正負極材料中嵌入的鋰原子量也就能提高整個電芯的儲電量。

       

       

      正極材料常見的有鎳鈷錳酸鋰和磷酸鐵鋰,也就是常說的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

       

       

      而當前的負極材料則以石墨為主,也有部分使用鈦酸鋰和硅基材料。

       

       

      目前以石墨為主的碳負極材料克容量達到360mAh/g,已經非常接近理論克容量(372mAh/g),提升空間不大。

       

       

      而硅基負極材料的克容量達3500mAh/g,其儲鋰能力幾乎達到碳材料的10倍。

       

       

      理論上使用硅基負極材料的鋰電池能量密度可達到碳材料鋰電池的十倍。

       

       

      但問題在于,放入電池中的硅會在充電過程中吸收帶正電的鋰原子而膨脹,然后在使用過程中隨著鋰從硅中抽出而收縮。這種膨脹/收縮循環通常會導致硅(通常以顆?;虮∧さ男问剑┓鬯?,從而降低電池性能。

       

       

      為解決這個問題,Amprius使用了硅納米線技術。

       

       

      什么是硅納米線技術?

       

       

      Amprius的硅納米線技術是在電池極片上直接生長硅納米線,其在吸收鋰原子后膨脹至正常體積的四倍,但不同于一般的硅結構,這種結構的硅材料可以通過軸向膨脹很好的釋放應力,不會造成納米線的龜裂或破損,從而阻止了電極的粉末化。

       

       

      此外,使用硅納米線的負極厚度僅為碳材料負極厚度的一半。

       

       

      由于硅是能量密度最好的材料,因而使用100%硅材料意味著可以實現最高能量密度的鋰離子電池。

       

       

      而且,Amprius的硅納米線電池具有出色的循環壽命,這在包括美國國家實驗室和主要航空航天公司在內的多個組織的實際使用中已得到證明。

       

       

      Amprius此次生產的第一批硅納米線鋰電池將供應給一家高空偽衛星公司。

       

       

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      緣起與應用

       

       

      Amprius的硅納米線技術源自斯坦福。

       

       

      2007年,時為斯坦福材料科學與工程系助理教授的崔屹在Nature Nanotechnology上發布了一篇題為《使用硅納米線的高性能鋰電池負極(High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires)》的論文,詳細闡釋了硅納米線技術在鋰電池中的應用。

       

       

      2008年,崔屹與資深風投合伙人Mark Platshon共同成立Amprius(安普瑞斯)。其董事會成員包括諾貝爾獎得主、前美國能源部長朱棣文。

       

       

      如今,年僅四十多歲的崔屹不僅是斯坦福終身教授,還是四家創業公司的創始人。

       

       

      Amprius總部位于硅谷,并在無錫與政府旗下的投資公司無錫工業發展集團合資建立大型電池工廠安普瑞斯(無錫)有限公司。

       

       

      Amprius的投資人包括硅谷風投公司Trident Capital和Kleiner Perkins、中國私募股權公司軟銀賽富、斯坦福大學、空客(Airbus)等。此外,谷歌前CEOEric Schmidt也是公司投資人之一。

       

       

      公司現任CEO孫康博士曾擔任霍尼韋爾副總裁,并協助組建了晶澳太陽能有限公司,后者目前是全球最大的太陽能電板制造商。

       

       

      2021年12月,Amprius宣布在電池充電效率方面取得突破,只需 6 分鐘即可實現 0% 至 80% 的充電率。公司正在努力實現每年數百兆瓦時的電池量產率,并預計將在 2024 年開始大規模生產。

       

       

      其COO Jon Bornstein表示,具有450Wh/kg高能量密度的鋰電池將支持具有更高功率需求的航空航天產品,包括新的eVTOL飛機(Electric Vertical Takeoff and Landing,電動垂直起降,也稱為飛行汽車),可延長飛行續航時間。此外,他還表示,Amprius預計將在今年晚些時候生產出首批 500 Wh/kg 的電池。

       

       

      Bornstein還表示,Amprius正在為無人機應用開發電芯,并且已與一家未公開的航空公司簽訂合同。此前,Amprius就已為空客的Zephyr太陽能無人機供應電池。

       

       

      此外,據《財富》報道,美國軍方也在使用Amprius的電池測試其在可穿戴設備上的應用。

       

       

      而空客的合約對Amprius來說既是救生索,也是警示牌。“我們給空客開出了天價,... 這種價格是不可持續的。”CEO孫康表示。

       

       

      如果要大規模應用在乘用車上,昂貴的成本顯然是不可接受的。

       

       

      在2020年8月的特斯拉電池日之前,馬斯克在推特上表示特斯拉會在3-4年內批量生產壽命更長、而且能量密度提高50%也就是達到400wh/kg的電池,當時Model 3使用的松下 2170 電池電芯能量密度為260wh/kg。

       

       

      隨后,特斯拉更是于9 月 19 日在電池日活動注冊頁面上用了硅納米線結構圖作為背景圖片。

       

       

      加之Amprius的公司地址就在特斯拉對面,彼時關于特斯拉將要收購Amprius的猜測一時四起。

       

       

      但在電池日當天,這一技術并未亮相。

       

       

      馬斯克更是在推特上直言,特斯拉與Amprius之間什么都沒發生。

       

       

      對于馬斯克來說,成本始終是其考慮的首要因素之一。

       

       

      據華寶證券數據,目前420-450mAh/g 容量的硅基負極材料(由硅基材料與石墨混合而成)市價在11-15萬/噸之間,中間值約為12 萬/噸,而高端石墨的價格僅有7-8 萬/噸。

       

       

      也許當使用硅基材料作為負極材料的成本能控制到與石墨不相上下時,Amprius與特斯拉之間終歸會發生點什么。

       

       

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      動力電池的未來:固態電池還是硅納米線負極?

       

       

      業界普遍認為,目前鋰離子電池的發展已經到了極限。想要進一步提高續航里程,勢必要在技術上進行大的革新。

       

       

      與Amprius發布的硅納米線負極電池一樣,此前業界熱傳的固態電池一大目的也是為了提升能量密度。

       

       

      一般認為液態鋰電池的能量密度達到300Wh/kg已經是非常出色的表現,而固態電池普遍可以達到300-400Wh/kg。

       

       

      固態電池與目前主流傳統鋰離子電池最大的不同在于電解質,它是用固體電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜。

       

       

      除了能量密度高,由于固態電解質可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發生副反應等,固態電池具有更高的安全性。

       

       

      而且,由于固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象,還可大大提升鋰電池的循環性和使用壽命。

       

       

      但是,雖然固態電池的優點非常明顯,其缺點也是致命的,并直接導致了固態電池的量產困難。

       

       

      由于固態電解質與電極材料之間是以固態狀態存在聯系的,電極與電解質之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質中傳輸動力低,因而會造成界面阻抗過大的問題。

       

       

      另一個問題依然是成本過高。

       

       

      業界普遍認為,固態動力電池要實現大規模量產,至少需要在2025年之后才可能實現。

       

       

      而今天,Amprius已憑借其硅納米線技術成功生產第一批能量密度達到450Wh/kg的新一代鋰電池。

       

       

      雖然也許還無法做到低成本量產,但這無疑也為行業提供了另一種可能的方案。

       

       

      動力電池后續將會怎樣發展,且讓我們拭目以待。

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