德国团队做了一款水晶电池:能量密度提高一倍,原材料成本还降低 1/3

摘要

新技术能拯救电池短缺吗?

上游原材料短缺的问题,已经成为制约新能源汽车产业发展的瓶颈。从 2020 年至今,新能源汽车电池的主要原材料——碳酸锂的价格上涨了超过 10 倍,成本上升传导到主机厂,后者无奈只能以涨价应对。

即便强如特斯拉,也无法独善其身。在最近的财报电话会议,特斯拉 CEO 马斯克呼吁:加大对锂矿开采的投资,以填补由于电动汽车的普及而造成的巨大供需缺口。

他表示,电池生产,更确切地说,锂是全球电动汽车普及的「根本限制因素」。「我们认为,我们需要在这方面帮助这个行业。实际上,目前锂业的利润率几乎等同于软件行业。」

Theion 首席技术官 Marek Slavik(左)和首席执行官 Dr. Ulrich Ehmes 介绍水晶电池的硫晶体

应对当下的困境,行业一方面加快上游原材料的开采节奏,另一方面也在大力研发下一代的电池。锂硫电池被认为是潜在的候选之一。最近,德国初创公司 Theion 交出了他们的「答卷」,推出了应用场景多元的水晶电池,并开始推进商业化落地。

01 什么是水晶电池?

Theion 的水晶电池属于锂硫电池的一种。它是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。锂硫电池因为其较高的理论容量(1675mAh/g)和功率密度(2600 Wh/kg),资源丰富和价格低廉以及对环境友好等特点,一直受到科学家们的广泛关注。

当然,任何一枚硬币都有两面。锂硫电池的缺点也尤为明显,主要是硫的导电性差、充放电过程中电极体积膨胀、存在着穿梭效应,以及阳极会有锂枝晶生成等,这些瓶颈问题一直影响着锂硫电池的商业化。

硫熔化形成晶体

为了解决这些问题,Theion 首席执行官 Ulrich Ehmes 博士告诉「极客公园」,他们在两个方面做了突破:第一,他们采用的硫,不是粉末,而是硫晶体,这样可以提高电池的能量密度;第二,他们研制了特殊形式的碳纳米管涂层,可以保证电池性能更加稳定。

拥有数十年管理经验的 Ehmes 博士,非常清楚材料的重要性,它能解决高能量密度、短充电时间、长循环寿命和成本等问题,也是在电池行业成功的关键。

目前,Theion 的第一代技术已经将锂硫电池的能量密度做到了 500Wh/kg,他们的目标是在 2023 年,把第二代技术将锂硫电池的能量密度提高到 700Wh/kg;在 2024 年,第三代技术将锂硫电池的能量密度提高到 1000Wh/kg。

这已经远高于当前主流电池的水平。目前动力电池主要有两条技术路线:三元锂电池和磷酸铁锂电池,它们的能量密度分别在 250Wh/kg 和 160Wh/kg 左右。更重要的是,锂硫电池的理论能量密度上限更高(2600 Wh/kg),未来提高的空间更大。

同时,目前主流的锂离子电池,主要是由五种材料(镍、钴、锰、锂和石墨)加工而成。除了石墨,其他四种原材料价格大幅上涨,也增加了电池的生产成本。相比之下,硫成本与 NMC811(电池正极材料镍钴锰比例为 8:1:1)相比,节省了 99%。一般来说,正极材料成本占电池成本的1/3。如果正极材料下降到之前的1%,也就意味着整体成本下降了大约1/3;同时,通过新生产工艺,水晶电池可以节省 90% 能源。

除了能量密度和成本,循环次数也是衡量电池性能的重要指标。目前,水晶电池能达到 500 次左右的循环次数,低于当前三元锂电池(1000 次到 2000 次)和磷酸铁锂电池(3000 次左右)。不过,Ehmes 博士表示,他们接下来会持续更新和迭代产品,提升水晶电池的循环次数。

其实,锂硫电池并非什么新鲜事物,对它的研究从上世纪 70 年代就已经开始。目前,欧美等国家的锂硫电池研究是以产业主导。

英国的 Oxis 能源公司,此前成功测试了一款能量密度达到 471Wh/kg 的电池电芯样品,并与部分欧洲车企签订了采购合同;美国的 Sion Power 公司,主要侧重无人机和军用编写电池以及电动车领域。2010 年,该公司就曾把锂硫电池应用到大型无人机上,打破当时飞行高度、连续飞行时间和工作温度最低三项无人机纪录。

相比之下,中国的锂硫电池研究主要是以科研机构和高校为主,电池公司为辅。

西安交大材料学院柳永宁教授课题组,通过调控氧空位来促进氧化铟在锂硫电池中的催化活性;中科院大连化物所研制的能量型锂硫电池比能量从 520Wh/kg 逐步提升到 609Wh/kg,刷新了二次电池比能量在同领域的领先位置;南京大学周豪慎教授课题组开发出的锂硫电池,在进行 1500 次循环试验后,仍然维持了 900mAh/g 的较高充电容量……

除此之外,国轩高科、猛狮科技、桑顿新能源等部分动力电池企业,也在锂硫电池技术研发上形成了一定的技术储备。

02 加速商业化

虽然相比锂离子电池,锂硫电池具有更高的比容量和能量密度,但它的商业化之路却走得更加艰难。

Theion 电池专家团队

Theion 虽然只是一家初创企业,但他们已经开始着手让水晶电池走出实验室,加速商业化。据了解,Theion 总部位于柏林,在当地设有三个办事处,有 12 个员工,超过一半都持有博士学位。

Ehmes 博士介绍,Theion 目前还处于初期,需要的是最杰出、最优秀的人才,现阶段还不需要一个超大的团队。随着项目的不断推进,团队会不断扩大。

根据 Theion 公司的规划,他们的水晶电池将在 2022 年底,对第一批用户提供产品内测。目前,他们正跟欧洲的航天公司沟通合作的事情,因为「他们需要特别轻的组件」。2023 年,Theion 将开始向航空、移动和可穿戴设备等领域提供水晶电池;并在 2024 年则扩展到汽车和飞行汽车领域。

值得一提的是,2024 年计划为电动汽车提供的水晶电池,可以实现充电一次续航里程超过 1000 公里,快速充电小于 10 分钟。这样的数据,优于当前主流新能源汽车电池的性能水平。

之所以采取这样的策略,或许跟 Theion 主要投资者 Team Global 有关。据了解,Team Global 是一家欧洲技术控股公司,专注投资和创办前沿科技公司。此前,Team Global 已经投资了许多航空航天初创公司,比如 Autoflight、Volocopter、MILESmobility 和 Archer Aviation。

Theion 也有计划进入中国市场。Ehmes 博士表示,中国是全球重要的移动设备及海陆空交通工具产地。考虑到客户群,Theion 水晶电池未来发展与中国市场紧密相关。当前,他们的目标是将水晶电池的应用推广至欧洲的航空航天领域。接着,他们将考虑进入中国市场,有可能在中国建设超级工厂。

电池技术过去几十年历经数次迭代,从铅酸电池到镍氢电池,再到今天的锂电池、锂硫电池,都各有优缺点。相比之下,三元锂电池能量密度大,但安全稳定性仍存短板;磷酸铁锂电池的优点是安全稳定、寿命长,但能量密度相对逊色、产品一致性也较差;氢燃料电池环保、续航里程长,但成本偏高;锂硫电池性价比较高,能否在众多电池中脱颖而出,令人期待。

Ehmes 博士表示,可能不同应用场景,对电池的要求也各不相同。目前,很多实验室和机构,都提出了各自的方案,但最大的挑战是用这个方案去撬动现实的市场,把这些技术真正应用到社会生活。

同时,他也表示,在商业化的过程中,电池行业的突破点,在于供应链。当前,新能源汽车就受困于这一点,因为原材料价格上涨影响到制造成本,最终传导到了消费端。未来的电池行业,供应链要更加平稳,价格波动更小,这是 Theion 未来努力的方向。

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