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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

時間:2022-05-05 11:58來源:極客公園 作者:周永亮
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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」。「我們認為，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。」
 
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（2600Wh/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UlrichEhmes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（2600Wh/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SionPower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TeamGlobal有關。據了解，TeamGlobal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，TeamGlobal已經投資了許多航空航天初創公司，比如Autoflight、Volocopter、MILESmobility和ArcherAviation。
 
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。考慮到客戶群，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。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 水晶電池
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