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揭底“无负极电池”高能量密度的秘密

钜大LARGE  |  点击量:101次  |  2021年10月22日  

摘要
最近炒得很热的一个叫SolidEnergy的美国startup,据称其独创的“无负极电池”技术可以使电池达到1337Wh/L的能量密度,该公司创始人之一华裔科学家胡启朝博士宣称该技术将

最近炒得很热的一个叫SolidEnergy的美国startup,据称其独创的“无负极电池”技术可以使电池达到1337Wh/L的能量密度,该公司创始人之一华裔科学家胡启朝博士宣称该技术将“颠覆电动汽车行业”,并有望在未来一两年之内投入实际应用。


笔者仔细观看了SolidEnergy网站供应的视频信息并且查阅了胡博士发表的相关文献,假如这些信息属实的话,笔者认为这种电池就是采用金属锂作负极LCO作正极的电池,只是负极金属锂层很薄,而并不是真的“没有负极”。


读者是不是觉得似曾相识呢?没错,七十年代锂离子电池刚诞生时(更准确一点说是钴酸锂刚被用作正极材料时)就是这样的。所不同的是根据SolidEnergy的描叙,金属锂是通过某种技术沉积在铜箔集流体表面,然后在锂层上再沉积一层很薄的聚合离子液体电解质层。暂且不论成本(沉积工艺和离子液体的价格)以及高活性金属锂的操作安全问题(FMC有深刻相关相关经验),大规模生产中诸多复杂的生产设备和工艺流程问题就远非一个startup能够解决。


在笔者看来,SolidEnergy最大的挑战还是在于金属锂负极,因为SolidEnergy所宣称的“巨大潜力和光明的未来”都是基于高活性锂金属可以作为负极(否则高能量密度将是虚幻)这样一个假设。


其实,从锂离子电池的诞生历史我们可以很清楚地看到,锂离子电池采用碳负极的根本原因,正是因为锂嵌碳化合物降低了金属锂的高活性。所以,基于嵌入反应的锂离子电池其实是不得已的折衷办法!最近两年,国际上有关金属锂负极的研究掀起了一阵小高潮,从基础研究的角度而言是很好理解的。要想进一步提高锂电的比能量,那么就必须打破现在的嵌入反应机理的束缚,跟其它常规化学电源相同采用异相氧化还原机理,也就是采用金属锂做负极,使用金属锂负极的电池自然是“最终锂离子电池”。正如之前笔者讨论过的,以金属锂做负极的“最终锂离子电池”能否实现,安全性问题仍然是第一决定性因素。而迄今为止,SolidEnergy并没供应其电池的相关测速数据。


曾遭遇


NEC在1990年收购Moli以后,对Li-MoS2电池仍然不死心,为了完成ConfirmationTest,Moli做了五万个电池,每一个电池都用X-Ray检查缺陷,整整花费了一年半的时间,最后结论仍然是金属锂不适合用于负极材料。所以,锂金属作负极在电池工业界是一个般经典的案例。


现在每当电池工业界的内行人(尤其是日本同行)听到有人忽悠Li-S和Li-Air电池的时候,他们的嘴边都是泛起一丝残忍的微笑,因为这两个电化学体系的最核心问题正是笔者前面讨论过的金属锂负极问题。NEC完成ConfirmationTest的时间已经到了1992年,而SONY在一年前就以已经产业化了基于碳负极的锂离子电池。正是因为NEC沉迷于金属锂负极,才在锂离子电池的生产上被SONY远远地抛在了后面。吉野和西美先生能够在八十年代初期就完全抛弃金属锂负极的想法,笔者不得不由衷的钦佩他们当初的远见卓识。


笔者这里不是说金属锂负极没有意义,而是想要强调,这个领域突破的难度极大,根本不是当前学术界有些人玩弄花里胡哨的纳米概念所能解决的(J.R.Dahn就“纳米锂电”问题多次做过尖锐批评)。在笔者看来,只有采用固体电解质的全固态锂离子电池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能让金属锂负极的实际应用成为可能。日本Toyota(丰田汽车)是国际上全固态电池的领头羊,目前其发展出的原型电池在技术水平上遥遥领先其它公司和科研机构,而Toyota在该领域已经有近20年的研发积累。


过去数十年,由于全球新能源研究的再次兴起,美国成立了很多电池相关的风投小公司。这些startup重要集中在美国西海岸加州硅谷一带和东海岸波士顿附近,据不完全统计多达上百家。有一定知名度的锂电startup有Envia,Ambri,ImprintEnergy,AlveoEnergy,SilaNanotechnologies,BoulderIonics,PrietoBattery,Sakti3,Xilectric,Amprius,LeydenEnergy,CaliforniaLithiumBattery,PolyPuls等等。受制于美国锂电产业非常薄弱的现实,这些锂电startup几乎都把开拓我国市场当作重要目标之一。这些锂电startup里基本上都有华人技术骨干,出口转内销,国人未免对它们倍感亲切备受推崇。


锂电产业是一个资本加技术密集型的高科技行业,属于典型的实体经济范畴,所以锂电领域内具有产业意义上的技术进步仍然是很缓慢的,要解决科学和工程方面的一系列难题,取得革命性突破非常困难。比如锂电产业化已经二十多年了,基本生产工艺跟20年前仍然差别不大,LCO和石墨材料仍然占据超过50%和99%的正极和负极的市场份额。


而另一方面,在整个锂电产业链上,产量、市场、技术和知识产权都越来越向少数跨国公司集中,这种“马太效应”使得新入行的startup很难或者可以说几乎就没有翻身的可能,这正是实体经济和IT行业一个很大的差别。这些startup里,最“接近”成功的当属A123了,其他的startup还都在为生存而挣扎。之所以Facebook、Google这样的互联网创业神话不能在电池行业被复制,背后是有深层次原因的。


作为一名科研工作者,笔者对任何新技术都持开放的态度。笔者这些年一直在锂电研发和生产一线,接触了不少这样的startup和它们的“革命性”电池技术。实事求是而言,这些所谓的新技术大部分仅仅只是一个概念或者idea而已,所谓的电池技术“突破性”进展,基本上都是startup为博得眼球或者获取风险投资的宣传伎俩。“历史总是何曾地相似”,回顾锂离子电池的诞生历史,我们应当对这些问题会有更加深刻的理解和认识。


原标题:JFD:揭底“无负极电池”



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