新電池技術(shù)滿足電氣化和可持續(xù)發(fā)展的需求

雖然世界正朝著逐步電氣化的方向發(fā)展，特別是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，但對能夠提供高效率、減小尺寸和重量以及所用原材料的高可回收性的新型電池解決方案的需求不斷增長。

雖然電動汽車是電池技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力之一，但還有其他應(yīng)用，例如移動和消費(fèi)設(shè)備，高產(chǎn)量證明了對高效和可持續(xù)電池技術(shù)的投資是合理的。

本文將介紹兩家領(lǐng)先的電池技術(shù)創(chuàng)新公司的最新發(fā)展和趨勢。第一個是 Theion，一家總部位于柏林的公司，匯集了一支由頂尖科學(xué)家、工程師和企業(yè)家組成的團(tuán)隊。Marek Slavik 是世界領(lǐng)先的化學(xué)科學(xué)家和電池專家之一，擔(dān)任 Theion 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官，新宣布的首席執(zhí)行官 Ulrich Ehmes 將利用他在電池制造領(lǐng)域長達(dá)十年的經(jīng)驗來擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。第二家公司是OneD Battery Sciences，該公司開發(fā)了基于使用特殊硅納米線的Sinanode技術(shù)，顯著提高了石墨節(jié)點的性能。

Theion的水晶電池

Theion 是一家將鋰硫晶體陰極技術(shù)帶出實驗室的公司，該公司開發(fā)了一種新技術(shù)，與現(xiàn)有的鋰離子電池相比，該技術(shù)的續(xù)航里程增加了三倍，但所需的能量卻只有八分之一。

通過使用硫（圖 1）作為陰極材料，可以降低成本，同時可以將能量密度提升到一個全新的水平。硫 (Li 2 S) 是一種非常有前景的正極材料，與其他正極材料（如 NMC811）的 20 歐元/千克相比，成本僅為 0.20 歐元/千克，并且具有 3 倍至 5 倍的理論能量密度。

圖 1：鋰硫晶體

“當(dāng)鋰硫轉(zhuǎn)化為不同的結(jié)構(gòu)時，就會發(fā)生真正的巨大變化，”Ehmes 說。“我們在其頂部放置一層碳納米管[滲透網(wǎng)絡(luò)]，定向碳納米管，然后在碳納米管周圍結(jié)晶整個硫，獲得碳納米管的固體結(jié)構(gòu)，其周圍有硫的晶體結(jié)構(gòu)。添加了一些其他工藝步驟，以使陰極準(zhǔn)備好集成到電池中，這是一個完美的陰極?！?/p>

由于該工藝非常靈活，因此可以創(chuàng)建任何幾何形狀的晶圓（根據(jù)客戶的產(chǎn)品需求進(jìn)行調(diào)整），即使建議使用六邊形以提高空間效率。

Theion 的晶體電池有幾個優(yōu)點，包括高容量（高達(dá)三倍的重量和體積能量密度）、與最先進(jìn)技術(shù)相似的循環(huán)壽命、快速充電能力、高安全性（非易燃組件）和低成本（硫成本為 NMC811 成本的 1%）。此外，硫是一種工業(yè)副產(chǎn)品（不需要有害的采礦），并且回收安全且便宜，這意味著它也是高度可持續(xù)的。

“我們的細(xì)胞化學(xué)的目標(biāo)應(yīng)用將是所有移動設(shè)備和車輛，其中重量和體積很重要，”Ehmes 說?！叭欢覀円鉀Q的第一個市場是太空，這是一個需要輕質(zhì)電池的利基市場?！?/p>

在商用火箭中，其目的是用由 Theion 晶體電池供電的電動泵取代燃料泵。首批研發(fā)樣品將于今年年底推出。2023 年，Theion 計劃向 eVTOL 客機(jī)（空中出租車）和手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備等所有移動設(shè)備提供首批樣品。2024 年，重點將轉(zhuǎn)向電動遠(yuǎn)程客機(jī)和電動汽車——最苛刻的市場。

在電池中，陰極負(fù)責(zé)能量密度，而陽極負(fù)責(zé)快速充電。水晶電池的另一個優(yōu)點是它也很容易充電，因此快速充電不是問題。

“至關(guān)重要的下一步是工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)，”Ehmes 說?！皳碛姓_的材料并能夠加工它是不夠的。應(yīng)該有可能從小型到大型并最終轉(zhuǎn)移到千兆工廠規(guī)模的生產(chǎn)線。此外，以硫為正極材料，將有足夠的正極材料來滿足市場需求而不會出現(xiàn)問題。”

OneD 擴(kuò)展其業(yè)務(wù)

總部位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的全球創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者 OneD Battery Sciences 開發(fā)了 Sinanode 技術(shù)，該技術(shù)使用特殊的硅納米線顯著改善石墨陽極，并提高 EV 電池的能量密度、壽命和成本效率。

從 5 月開始，OneD 的第一批試點工廠將在華盛頓州的摩西湖向 OEM 開放。每個試點工廠使用一臺 CVD 機(jī)器，每年可生產(chǎn)約 100 噸材料（圖 2）。試點工廠的目的是，OneD 客戶為了使他們的電池合格，首先必須有足夠的數(shù)量來制造所謂的優(yōu)化電池。OneD 已開發(fā)出具有 SINANODE 陽極和商用陰極的原型電池，采用 4690 EV 電池格式（直徑 46 毫米，長度 90 毫米）。在一個典型的電動汽車電池組中，大約有 1000 個這樣的電池。在優(yōu)化 EV 電池原型之后，預(yù)生產(chǎn)認(rèn)證過程通常需要在生產(chǎn)商用車之前進(jìn)行質(zhì)量測試。鑒定過程通常需要多達(dá) 10,000 個電池組。如果每個電池組的儲能為 100 kWh，認(rèn)證過程需要 100 MWh 的陽極材料，OneD 表示，他們可以通過安裝在 Moses Lake 的一臺新 CVD 機(jī)器輕松生產(chǎn)這些材料。完整的生產(chǎn)計劃，單機(jī)最大年產(chǎn)量約為340兆瓦時。據(jù) OneD 稱，從資本和可變成本的角度來看，這是生產(chǎn)硅碳負(fù)極材料的最有效方法。

圖 2：Moses Lake 的 Sinanode 中試工廠

OneD 的首席執(zhí)行官 Vincent Pluvinage 表示：“我們目前正在帕洛阿爾托生產(chǎn)工廠進(jìn)行所有生產(chǎn)?！?“但是，這不是這樣做的理想場所，因為它不是工業(yè)環(huán)境，我們受到很大限制。這就是為什么我們決定在摩西湖建造我們的第一個試驗工廠?！?/p>

目前，OneD 還在執(zhí)行層面與電動汽車制造商合作，而不僅僅是在技術(shù)層面，因為他們面臨著巨大的挑戰(zhàn)：基本上在每個大陸創(chuàng)建供應(yīng)鏈。未來幾年所需的材料量是巨大的。因此，OneD 將與亞洲、歐洲和美國的石墨供應(yīng)商合作，增強(qiáng)他們的石墨以適應(yīng)戰(zhàn)略需要。

“供應(yīng)是一個大問題，”O(jiān)neD 表示?！暗?2025 年，將沒有足夠的電動汽車電池生產(chǎn)商來滿足市場需求。不僅是制造電動汽車電池的工廠；它也是用于 EV 電池的所有材料?！?/p>

鋰離子電池有兩個主要用例。第一個是移動鋰離子電池，用于為汽車供電。另一種是用于風(fēng)能和太陽能等可再生能源的鋰離子電池?？紤]到它們的規(guī)模，所有這些市場都需要平衡。不同的是，在可再生能源領(lǐng)域，電池是固定的，所以我們可以使用剩余容量較少的電池。OneD 通過為每個電動汽車客戶提供自己的石墨加工和添加硅納米線的試驗設(shè)施，在不影響每個電動汽車客戶的供應(yīng)鏈的情況下優(yōu)化不同的新陽極材料。展望未來，OneD 預(yù)計與眾多汽車合作伙伴的試點工廠保持同步，

審核編輯 黃昊宇