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能量密度翻番的電池來了

時(shí)間:2024-05-15 09:40來源:汽車商業(yè)評論 作者:錢亞光
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       前不久，材料創(chuàng)新與應(yīng)用公司Lyten已向Stellantis和其他美國和歐盟汽車制造商發(fā)運(yùn)6.5 Ah鋰硫（Li-S）袋式電池A樣進(jìn)行測試。
 
       Lyten發(fā)運(yùn)的鋰硫袋式電池樣品（3C放電倍率，25°C）是美國和歐洲汽車制造商對鋰硫電池進(jìn)行商業(yè)評估的重要一步。
       “這一里程碑是萊頓團(tuán)隊(duì)多年辛勤工作和創(chuàng)新的結(jié)果，我們才剛剛開始進(jìn)一步擴(kuò)大鋰硫電池性能，”萊頓首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人丹·庫克(Dan Cook)說。
 
       雖然鋰電池一直是電池行業(yè)的明星，但容量、安全等固有的不足，促使人們不斷在尋找替代品。鈉離子電池性能與鋰離子電池相似，但因鈉資源的豐富而成本更低；鋁空氣電池繼續(xù)因其高能量密度潛力而引起人們的關(guān)注；能量密度更大，重量更輕、安全性更好的鋰硫電池也吸引了創(chuàng)新者和投資者的興趣。
 
電池新星
 
       鋰硫電池（Lithium Sulfur Battries，Li-S batteries）由硫復(fù)合陰極、金屬鋰陽極和兩者之間的電解質(zhì)組成。
 
       今年年初發(fā)表于《IEEE Access》雜志上的一項(xiàng)研究表明，在對鋰離子電池、硅聚丙烯腈（SiCPAN）電池、硅納米線（SiNW)）電池、全固態(tài)電池和鋰硫電池五種電池進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，鋰硫電池是最環(huán)保的電動(dòng)汽車電池。
 
       Lyten 認(rèn)為其鋰硫電池有以下優(yōu)勢：
 
       首先，是能量密度。Lyten 聲稱，其鋰硫配方的電池能量密度是三元鋰（鎳鈷錳）電池的兩倍。就電動(dòng)汽車應(yīng)用而言，這意味在相同的體積和重量下，鋰硫電池能存儲并供應(yīng)更多的電能，為電動(dòng)汽車提供更長的行駛里程。據(jù)第三方測算，到2028年，更換Lyten的鋰硫電池后，五大領(lǐng)先的電動(dòng)汽車品牌整車電池可平均減重170kg。
 
3D石墨烯，來源是甲烷中的碳▼
       其次，是更安全，這種LytCell EV鋰硫電池對過充和穿刺失效模式有很強(qiáng)的抵抗力，無需使用可能導(dǎo)致失控?zé)岱磻?yīng)的氧化物。
 
       第三，是成本更低。Lyten 使用硫和專有的3D石墨烯（3D Graphene）制造陰極，這是一種從天然氣中提取的專利可調(diào)低碳超材料，已經(jīng)通過獨(dú)立驗(yàn)證，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了碳中和。
 
       采用3D石墨烯，就無需在陰極中使用鎳、鈷和錳等關(guān)鍵礦物質(zhì)。鋰硫電池陽極是一種鋰金屬復(fù)合材料，無需石墨。因此，鋰硫電池材料和制造成本，即使與低成本的磷酸鐵鋰（LFP）相比，也具有競爭力。
 
       另外，這種新電池只需進(jìn)行小幅修改，就可使用現(xiàn)有鋰離子電池設(shè)備制造。
 
        第三是減少碳排放。根據(jù) Lyten 的計(jì)算，去掉鈷和其他關(guān)鍵材料后，與電池制造相關(guān)的能源將大幅減少。LytCell EV鋰硫電池的碳足跡，估計(jì)比同類最佳的鋰離子電池低60%以上，比固態(tài)電池低40%。而Lyten獨(dú)特的熱塑性配方LytR，可減少高達(dá)50%的材料用量，同時(shí)保持或提高強(qiáng)度和性能，從而需要更少的聚乙烯材料，減少碳足跡高達(dá)55%。
 
        第四是供應(yīng)鏈可靠性。Lyten 表示，從陰極和陽極中去除鎳、鈷和石墨意味著大規(guī)模簡化供應(yīng)鏈，使得電池可以在任何地方生產(chǎn)，并且材料清單比鋰離子電池降低了50%。
       Lyten的首席電池技術(shù)官西莉娜·米科拉杰克（Celina Mikolajczak）強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)技術(shù)的更廣泛影響：“世界需要一種實(shí)用的大眾市場電池，這就是我們用鋰硫技術(shù)所建造的電池。大規(guī)模電氣化和凈零目標(biāo)需要更高能量密度、更輕重量和更低成本的電池，這些電池可以大規(guī)模地使用當(dāng)?shù)刎S富的材料來生產(chǎn)和供應(yīng)。”
 
克服瓶頸
 
        鋰硫電池雖然在理論上展現(xiàn)出卓越的性能，但在現(xiàn)實(shí)操作條件下面臨與循環(huán)壽命和穩(wěn)定性有關(guān)的問題，但Lyten表示，它已經(jīng)解決了其鋰硫電動(dòng)汽車電池的這些挑戰(zhàn)。
 
       Lyten將其專有的3D石墨烯結(jié)構(gòu)集成到Li-S電池的陰極中。這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電池的整體穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，解決了常見的問題，如多硫化物穿梭效應(yīng)，這通常會導(dǎo)致Li-S電池的快速容量損失。
 
        來自陰極的長鏈多硫化物擴(kuò)散到陽極，并在那里進(jìn)一步還原為較短鏈的多硫化物，然后擴(kuò)散回陰極，并再次被氧化為長鏈多硫化物▼
        所謂多硫化物穿梭效應(yīng)，指的是在充放電過程中，陰極產(chǎn)生的多硫化物（Li2Sx）中間體溶解到電解液中，不僅會導(dǎo)致正極硫活性物質(zhì)的流失，還會通過隔膜擴(kuò)散到陽極，被鋰還原生成不溶的Li2S2和Li2S附著在陽極表面。
 
        這種穿梭效應(yīng)不僅降低了硫的利用率，限制了比容量，還會降低鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性，最終造成了電池中有效物質(zhì)的不可逆損失，更可能引起電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微妙變化，導(dǎo)致電池壽命的衰減。
 
         為了解決多硫化物穿梭效應(yīng)的問題，研究者們提出了多種策略，而Lyten在其鋰硫電池的陰極中采用了其專利的3D石墨稀結(jié)構(gòu)——Lyten 3D Graphene™。
 
        Lyten 3D Graphene™在許多有價(jià)值的性能上與2D石墨烯相似，但其化學(xué)和電氣活性要高幾個(gè)數(shù)量級，同時(shí)其三維形態(tài)使其具有高度可調(diào)性。開發(fā)3D石墨烯材料的工藝和設(shè)備是Lyten的專利技術(shù)發(fā)明，已獲得專利。
 
       這種結(jié)構(gòu)提高了電池的整體穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，解決了常見的多硫化物穿梭效應(yīng)問題。這種設(shè)計(jì)還可以幫助提高電池的整體能量密度，同時(shí)潛在地減少隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的降解。
 
       3D石墨稀是實(shí)現(xiàn)Lyten鋰硫電池的關(guān)鍵材料創(chuàng)新，是一種脫碳超級材料。該材料是通過將溫室氣體甲烷分解成固體碳和清潔氫氣來獲取的。其獨(dú)特強(qiáng)度、重量和電導(dǎo)性可用于在最難減碳的行業(yè)（包括汽車、航空航天、建筑、工業(yè)和物流）的產(chǎn)品制造。
  
       此外，Lyten還使用鋰金屬復(fù)合材料作為陽極，而不是傳統(tǒng)的石墨，提高了陽極的穩(wěn)定性和效率，還有助于提高電池的整體能量密度，同時(shí)有可能隨著時(shí)間的推移減少劣化。
 
量產(chǎn)進(jìn)程
 
       Lyten是一家2015年成立的材料創(chuàng)新與應(yīng)用公司，由來自汽車、能源、電池、半導(dǎo)體、制造和國防領(lǐng)域的一群經(jīng)驗(yàn)豐富的高管領(lǐng)導(dǎo)。該公司擁有超過415項(xiàng)已授予或懸而未決的專利，目前正在加利福尼亞州圣何塞生產(chǎn)Lyten Graphene™材料及LytCell™電動(dòng)汽車電池。
       其在加州圣何塞的半自動(dòng)化試生產(chǎn)線于2023年5月上線，可使用標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子制造設(shè)備和工藝生產(chǎn)鋰硫電池。該生產(chǎn)線能夠?yàn)槠囋荚O(shè)備制造商提供 A 樣和 B 樣，并為小批量客戶提供完全商用的電池。
 
       該公司既生產(chǎn)鋰硫袋式電池，也生產(chǎn)圓柱形電池（2170和18650），目前正在向客戶發(fā)運(yùn)6.5 Ah袋式電池樣品。今年晚些時(shí)候，Lyten計(jì)劃今年晚些時(shí)候發(fā)運(yùn)圓柱形A樣品供評估。
       Lyten的第一座大規(guī)模工廠目前正在與特納建筑公司（Turner Construction）和SSOE合作設(shè)計(jì)，用于生產(chǎn)汽車動(dòng)力電池C樣品及更高級別的電池。
 
       至于誰將成為這些新型電動(dòng)汽車電池的早期采用者，Lyten 在新聞稿中提到了 Stellantis 公司，該公司的潛在交付目標(biāo)還包括 20 多家尚未命名的客戶。
 
       2023年5月，Stellantis在宣布已投資Lyten的鋰硫電池開發(fā)。2024年2月，克萊斯勒宣布將在其Halcyon概念電動(dòng)車中采用Lyten的Li-S電池。
 
       目前，Lyten已經(jīng)向一家美國大型消費(fèi)電子公司運(yùn)送了樣品，計(jì)劃在5月向美國國防部交付電池，并計(jì)劃在2024年第二季度和第三季度向20多個(gè)潛在客戶交付樣品進(jìn)行商業(yè)評估。Lyten目前的目標(biāo)是今年向航空航天和國防客戶提供商業(yè)用途電池。
 
       Lyten已經(jīng)籌集了超過4.1億美元的股權(quán)資本，包括來自Stellantis、FedEx、Honeywell、Walbridge和Prime Movers Lab的投資。
 
       美國能源部也向Lyten提供了400萬美元資金，以加速其研發(fā)進(jìn)程。根據(jù)這項(xiàng)撥款，Lyten 將與斯坦福大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校以及 Arcadium Lithium 公司（由 Livent 和 Allkem 合并而成）合作，旨在加速鋰硫電池的生產(chǎn)。
 
       從運(yùn)送A樣到主機(jī)廠測試，其實(shí)離商業(yè)化生產(chǎn)還有很長的路要走，因?yàn)锳樣滿足基本功能，B樣電性能、循環(huán)性能、尺寸滿足要求，C樣需要滿足安全要求，到了D樣才能達(dá)到量產(chǎn)要求。
 
       不過，對于新型電動(dòng)汽車電池來說，這仍然是一個(gè)重要里程碑。正如Lyten所描述的，A樣裝運(yùn) “啟動(dòng)”了通往大眾市場的一系列步驟。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池
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