續(xù)航1600公里的半固態(tài)電池就要來了

汽車商業(yè)評論2024-02-27 17:29

撰文 / 錢亞光

編輯 / 周洲

設(shè)計 / 師超

來源 / 24-m.com, www.businessupturn.com, CleanTechnical

作者 / Steve Hanley，Tushar Aggarwal

一直以來，汽車的動力電池有幾大痼疾為人們所詬病。一是單次充電續(xù)航不夠遠(yuǎn)，二是電池不安全，三是充電不夠快，四是電池壽命不夠長。

2月13日，美國初創(chuàng)電池企業(yè)24M宣布，他們開發(fā)出一種顛覆性的電池解決方案，徹底解決了鋰枝晶問題，提高了的安全性、循環(huán)壽命和能量密度，可以生產(chǎn)續(xù)航達(dá)1600公里的電池組。

24M最新的電池解決方案主要包含三種技術(shù)，它們結(jié)合起來，完全解決了當(dāng)前鋰金屬電池面臨的挑戰(zhàn)，并使下一代電池更高效、成本更低。

第一種技術(shù)是24M的 ETOP（Electrode-to-Pack，電極到包）封裝方式，意思是電極直接集成到電池組中。目前的鋰離子電池使用單個電池單元構(gòu)建模塊，再組成電池組，外殼內(nèi)含有大量支撐金屬和塑料，增加了重量和制造成本，降低了能量密度。

ETOP封裝技術(shù)由于無需單獨(dú)的電池單元和模塊，有效提高了電池組的能量密度。它在降低成本的同時實(shí)現(xiàn)了最高的能量密度，封裝效率可以超過70%，是當(dāng)前最高的電池組級體積利用率。

第二種技術(shù)是24M Impervio隔膜技術(shù)，采用專有技術(shù)，從源頭上阻礙金屬枝晶的形成，減少電池短路和火災(zāi)的風(fēng)險；它還能持續(xù)監(jiān)測電池狀態(tài)，能夠在潛在短路發(fā)生之前檢測到問題，并采取安全措施，包括安全放電和關(guān)機(jī)，以防止事故發(fā)生；它還能夠找出有缺陷的產(chǎn)品，避免大規(guī)模產(chǎn)品召回。

24M Impervio技術(shù)可以與傳統(tǒng)鋰離子電池和鋰金屬電池集成，提供與24M SemiSolid電池相同的安全優(yōu)勢。

第一次測試中，用不銹鋼故意污染陰極，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)電池在不銹鋼枝晶成型后立即短路，而采用Impervio隔膜的電池在相同條件下成功抑制了不銹鋼枝晶的形成，并且在超過800次循環(huán)后，其容量保持率超過了83%；第二次測試中，通過在陽極上暴露銅，刺激鋰金屬枝晶的形成，標(biāo)準(zhǔn)電池很快發(fā)生軟短路，而采用Impervio隔膜的電池成功抑制了鋰金屬枝晶的形成，陰極和陽極之間沒有軟短路。▼

這種新型電池隔膜旨在適用于電動汽車和固定式儲能系統(tǒng)的電池，目前已送樣合作伙伴測試，24M預(yù)計在2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，計劃在2025年或2026年將Impervio推向市場，并表示已經(jīng)與生產(chǎn)和許可合作伙伴合作。

而第三種技術(shù)Eternalyte是專門為鋰金屬電池開發(fā)的革命性新型電解質(zhì)。這種專有的液體電解質(zhì)配方將能夠顯著改善電動汽車、能源存儲和消費(fèi)應(yīng)用中鋰金屬電池的循環(huán)壽命和速率能力，而且可以實(shí)現(xiàn)低成本。

目前主流鋰離子電池采用石墨負(fù)極，理論容量只有372mAh/g，而鋰金屬負(fù)極高達(dá)3860mAh/g，被認(rèn)為是鋰電池的終極解決方案。

到目前為止，固態(tài)電解質(zhì)（SSE）技術(shù)一直是那些試圖商業(yè)化鋰金屬電池的首選，長期以來，鋰金屬電池一直承諾顯著提高能量密度。然而，由于鋰或其他金屬枝晶引起的安全問題和短暫的不一致循環(huán)壽命，繼續(xù)限制了鋰金屬電池的商業(yè)可行性，包括那些使用基于SSE技術(shù)的電池。而SSE的可擴(kuò)展性、成本、脆弱性和循環(huán)電阻的變化是需要解決的其他問題。

24M獨(dú)特的液體電解質(zhì)Eternalyte與Impervio隔膜相結(jié)合可應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。該組合可以防止所有金屬枝晶的形成，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的循環(huán)壽命，同時對陰極活性材料具有一致且低的電阻，還可有效降低成本，為新的鋰金屬解決方案鋪平了道路。

24M總裁兼首席執(zhí)行官大田直樹（Naoki Ota）說：“我們的任務(wù)是提供變革性的電池解決方案，克服關(guān)鍵的行業(yè)挑戰(zhàn)。Eternalyte通過實(shí)現(xiàn)高循環(huán)壽命的鋰金屬電池，在實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。雖然我們的解決方案可以單獨(dú)集成到常規(guī)電池產(chǎn)品中，但我們相信，當(dāng)它們結(jié)合在一起時，會實(shí)現(xiàn)最顯著的好處。它們可以共同提供一個具有成本效益和安全的每次充電可行駛1000英里（約1600公里）的電池組，使電動汽車能夠完全與內(nèi)燃機(jī)汽車競爭?！?/p>

喜人的測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，采用24M Eternallyte電解質(zhì)的鋰金屬電池，在1C充放電速率下循環(huán)次數(shù)超過500次，仍然保持了83%的容量；在20mA/cm2的電流密度下，Eternalyte液體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了2000小時的循環(huán)穩(wěn)定性，而其他電解質(zhì)的電池在250小時就發(fā)生了短路。▼

Eternalyte電解質(zhì)有著以下優(yōu)勢，一是出色的循環(huán)穩(wěn)定性，新電池單體能量密度為391 Wh/kg和887 Wh/L，電池包能量密度為350 Wh/kg和665 Wh/L。以1C放電/1C充電進(jìn)行循環(huán)，電池可在500多次循環(huán)中保持83%的容量，意味著每次充電可行駛1000英里（約1600公里），整個生命周期內(nèi)可以行駛80萬公里。

二是顯著的倍率性能改進(jìn)，鋰鋰堿基電池的測試結(jié)果表明，在4C連續(xù)循環(huán)的情況下，相當(dāng)于3000+次循環(huán)，而不會短路或增加電阻。24M認(rèn)為，在20mA/cm2的電鍍/剝離電流下，Eternalyte在液體電解質(zhì)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最高的循環(huán)穩(wěn)定性。

24M三種技術(shù)的組合，不但能夠大幅提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命和速率能力，而且為使用傳統(tǒng)工藝的電池制造商提供了靈活性，使他們能夠?qū)蝹€技術(shù)集成到當(dāng)前的制造工藝中。雖然好處不明顯，但這可以讓制造商提高整體性能。

24M預(yù)計，將在2025年開始供應(yīng)電動汽車用半固態(tài)電池。和以往的動力電池相比，其制造成本最高將縮減4成，有助于降低電動汽車的價格。

24M首席科學(xué)家兼聯(lián)合創(chuàng)始人蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）說：“對于傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)，基本制造工藝在30多年里沒有改變。我們重塑了制造工藝和電池/包裝設(shè)計，創(chuàng)造了一套完整的創(chuàng)新電池解決方案，使鋰金屬等下一代技術(shù)成為可能?！?/p>

雄厚的技術(shù)背景

24M由電池行業(yè)一些最重要的發(fā)明家、科學(xué)家和企業(yè)家創(chuàng)立和領(lǐng)導(dǎo)，主要致力于半固態(tài)鋰電池的研發(fā)和生產(chǎn)，目前正在研發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、使用半固態(tài)電解質(zhì)的電池。

首席科學(xué)家蔣業(yè)明，1958年出生于中國臺灣，其父親是一名機(jī)車工程師。1964年，他隨家人移民至美國。1980年，蔣業(yè)明在麻省理工學(xué)院（MIT）獲得學(xué)士學(xué)位，1985年在同一所學(xué)校獲得博士學(xué)位。獲得博士學(xué)位后，他留校任教，現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授，2009年當(dāng)選美國國家工程院院士。

他是一位在材料科學(xué)領(lǐng)域有顯著貢獻(xiàn)的學(xué)者，也是全球頂尖的電池研究人員之一，發(fā)表過300多篇論文，申請了100多項(xiàng)專利，擔(dān)任多個政府和學(xué)術(shù)咨詢委員會的職務(wù)。在湯森路透集團(tuán)于2011年3月2日發(fā)布的2000-2010年全球頂尖一百材料學(xué)家名人堂榜單，他位于全球總排名第66位，華人排名第12位。

蔣業(yè)明在能源儲存技術(shù)方面有重要研究成果，特別是在超級鋰電池的開發(fā)上，他采用了鋁、鈮、鋯等金屬作為正極材料。此外，他還參與創(chuàng)辦或?yàn)槎嗉夜咎峁I(yè)咨詢，涉及領(lǐng)域包括電池技術(shù)、3D打印和超導(dǎo)材料等。

至今為止，他參與創(chuàng)立了7家初創(chuàng)公司，包括電池公司A123 Systems、24M、Form Energy、Desktop Metal、American Superconductor以及Sublime Systems等。

24M的總裁兼首席執(zhí)行官大田直樹是全球公認(rèn)的鋰離子電池專家，30年前在日本見證了這項(xiàng)技術(shù)的誕生。他與人共同創(chuàng)立了美國第一家鋰離子電池制造商Quallion，服務(wù)于醫(yī)療和航空航天行業(yè)。隨后，他擔(dān)任電池制造商Enerdel的首席技術(shù)官和首席運(yùn)營官，領(lǐng)導(dǎo)了HEV、PHEV、EV和電網(wǎng)存儲產(chǎn)品線，并開發(fā)了1GWh的生產(chǎn)能力。

24M的執(zhí)行主席兼聯(lián)合創(chuàng)始人Throop Wilder是一位資深企業(yè)家，在通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他曾是高端網(wǎng)絡(luò)安全平臺領(lǐng)導(dǎo)者Crossbeam Systems（已被BCSI收購）的聯(lián)合創(chuàng)始人，以及電纜調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)供應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)商American Internet（已被 Cisco Systems收購）的聯(lián)合創(chuàng)始人。

14歲的初創(chuàng)公司

說是初創(chuàng)公司，其實(shí)24M已經(jīng)有了14年的歷史，比中國電動汽車新勢力都早。2010年，24M創(chuàng)建于美國馬薩諸塞州劍橋。

早在2015年，24M就首次公布其半固態(tài)鋰離子電池的設(shè)計和制造方法，宣稱其電池成本與傳統(tǒng)電池的成本相差一半，但那時還屬于半自動化試驗(yàn)設(shè)備階段。

此后，24M將其技術(shù)授權(quán)給大眾、富士膠片、Lucas TVS、安瓦新能源（Axxiva）和Freyr等公司。

2016年，24M與美國先進(jìn)電池聯(lián)盟（United States Advanced Battery Consortium ，USABC）簽訂了為期3年700萬美元的合同，該研究的目標(biāo)是到2019年底開發(fā)出能量密度為350Wh/kg的電池，該目標(biāo)已在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

2018年12月，24M 宣布已在日本公司京瓷集團(tuán)（Kyocera Group）和伊藤忠商事（ITOCHU Corporation）領(lǐng)投的D輪融資中籌集了2180萬美元，并表示正在推進(jìn)基于其半固態(tài)技術(shù)生產(chǎn)電池的多家工廠計劃。

2019年2月，24M宣布已開發(fā)并交付商業(yè)上可行的高能量密度鋰離子電池，其能量密度超過250 Wh / kg。同時，24M技術(shù)計劃將其電池能量密度提升至350wh/kg甚至超過400Wh/kg。

2020年，24M宣布與日本京瓷集團(tuán)達(dá)成合作，京瓷將采用24M技術(shù)的SemiSolid電極制造工藝生產(chǎn)的半固態(tài)鋰電池開發(fā)其住宅儲能系統(tǒng)Enerezza。同時，24M技術(shù)還與泰國電力和公用事業(yè)公司GPSC達(dá)成合作，后者將利用其半固態(tài)電池技術(shù)在泰國建設(shè)第一座半固態(tài)鋰電池工廠。

2020年6月成立的安徽安瓦新能源科技有限公司，其半固態(tài)/固態(tài)電池技術(shù)也是來自24M，參股企業(yè)主要有泰國GPSC公司、奇瑞新能源、日本阿澤巴新能源汽車科技有限公司、國軒高科、眾源新材、多氟多等企業(yè)。2022年12月，安瓦新能源半固態(tài)動力電池項(xiàng)目在山東省煙臺市福山簽約，項(xiàng)目總投資60億元，建設(shè)10GWh半固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)基地，主要生產(chǎn)能量密度達(dá)300-340Wh/kg的半固態(tài)技術(shù)體系動力電池和儲能電池，應(yīng)用于整車、儲能、換電等市場領(lǐng)域。

2021年，24M與挪威初創(chuàng)電池公司Freyr簽署了許可協(xié)議，授予Freyr基于24M當(dāng)前和所有未來技術(shù)生產(chǎn)鋰電池的權(quán)利。Freyr目前正在挪威建設(shè)一座年產(chǎn)32GWh的鋰電池工廠，計劃投資45億美元（約合人民幣295億元）。

2022年初，大眾汽車收購了24M 25%的股份，雙方正式成為戰(zhàn)略伙伴。下一步，大眾集團(tuán)將建立一家全資子公司，該子公司將與24M一起“開發(fā)一種用于汽車的半固態(tài)電池的生產(chǎn)技術(shù)”。