寶馬福特1.3億美元押寶的鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)
分類(lèi)：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-05-10
【概要描述】日前福特宣布在2025年前將投資220億美元用于電動(dòng)車(chē)技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)，而Solid Power公司則是它押寶的鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)。
5月3號(hào)，寶馬和福特汽車(chē)公司宣布聯(lián)合投資1.3億美元到固態(tài)鋰電池公司SolidPower，押寶未來(lái)的電動(dòng)車(chē)固態(tài)電池技術(shù)，從而將Solid Power這家創(chuàng)業(yè)公司推上前臺(tái)。
寶馬稱(chēng)其目標(biāo)是在2030年前實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)量產(chǎn)，而福特公司則在日前發(fā)布財(cái)報(bào)時(shí)宣布在2025年前將投資220億美元用于研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品。去年末上市的加州QuantumScape固態(tài)鋰電池公司是由大眾汽車(chē)押寶投資的初創(chuàng)企業(yè)，大眾公司已先后投入超過(guò)2億美元在這家公司上。而上個(gè)月通用汽車(chē)宣布投資1.39億美元在波士頓地區(qū)的固態(tài)鋰電池公司SolidEnergy Systems，同時(shí)宣布在2025年前將總計(jì)投資270億美元用于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)生產(chǎn)。至此，這幾家大型的歐美汽車(chē)制造商似乎都已有押寶的固態(tài)鋰電池公司，我們將逐步為你分析這幾家固態(tài)鋰電池公司的技術(shù)特點(diǎn)。
Solid Power公司于2011年在美國(guó)科羅拉多州成立。但是在成立初始的幾年里默默無(wú)聞，連公開(kāi)的融資消息都沒(méi)有一丁半點(diǎn)。直到2017年，公司才拿到最早期的天使輪投資350萬(wàn)美元，接著在2018和2020獲得了兩次A輪融資總計(jì)4800萬(wàn)美元。然后就是突然在這個(gè)月宣布獲得1.3億美元的B輪融資，一舉成為固態(tài)鋰電池行業(yè)里的明星公司。據(jù)新聞報(bào)道，Solid Power公司現(xiàn)在已有能力生產(chǎn)20Ah的多層電池塊，而利用最新獲得的B輪融資，公司將爭(zhēng)取在2022年實(shí)現(xiàn)100Ah的電池塊生產(chǎn)，為寶馬和福特公司的電動(dòng)車(chē)電池測(cè)試提供驗(yàn)證產(chǎn)品。
由于此前關(guān)于Solid Power公司的新聞報(bào)道很少提及其技術(shù)特點(diǎn)，因此我們對(duì)該公司申請(qǐng)的專(zhuān)利進(jìn)行了搜索，找到了3篇比較關(guān)鍵的技術(shù)專(zhuān)利。第一篇專(zhuān)利著重于該公司的固態(tài)鋰電池的組裝方式，在總體電池設(shè)計(jì)上與常規(guī)的鋰金屬固態(tài)電池大同小異，不過(guò)里面提到的幾個(gè)小技術(shù)細(xì)節(jié)可能是該公司的一些創(chuàng)新。比如在粘接劑材料方面，他們提到了可自愈（Self-healing）高分子材料，這類(lèi)材料在電極材料表面形成保護(hù)膜后，如果被晶枝扎破，有能力自愈恢復(fù)成膜，從而保護(hù)電極材料不與其他活性成分反應(yīng)消耗。在固態(tài)電解質(zhì)方面，他們提到可加入鹵素元素，幫助在鋰金屬與正極活性材料之間形成穩(wěn)定、高離子電導(dǎo)率的界面層，以提高電池整體的性能。
第二篇關(guān)鍵專(zhuān)利側(cè)重于固態(tài)電解質(zhì)材料。目前含有鋰鍺磷硅元素的LGPS固態(tài)電解質(zhì)是用于鋰金屬電池的最好電解質(zhì)，它在常溫下的鋰離子電導(dǎo)率可以達(dá)到12mS/cm，是常用陶瓷電解質(zhì)的10倍以上。然而，這種材料的一個(gè)缺陷是它的電化學(xué)穩(wěn)定窗口很小，只有在相對(duì)于Li/Li+反應(yīng)的2.1V到2.4V之間比較穩(wěn)定，而超出這個(gè)運(yùn)行窗口時(shí)該材料會(huì)生成離子電導(dǎo)率極低的產(chǎn)物，從而大大降低電池的運(yùn)行性能。而SolidPower在這一專(zhuān)利里提出了基于鋰-硼-硫元素的固態(tài)電解質(zhì)LiBS，根據(jù)理論計(jì)算該固態(tài)電解質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定窗口在相對(duì)于Li/Li+反應(yīng)的1.6V到2.2V之間，其窗口比LGPS電解質(zhì)擴(kuò)大了一倍。而在1.0~1.6V與2.2~3.8V之間，雖然熱力學(xué)上該電解質(zhì)不穩(wěn)定，但是在動(dòng)力學(xué)上仍可維持一定的穩(wěn)定性，因此可極大提高固態(tài)電池的運(yùn)行窗口與性能。同時(shí)，該電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率可能達(dá)到LGPS電解質(zhì)的兩倍以上。另一方面，該電解質(zhì)因?yàn)槭褂玫脑貎r(jià)格較低，其各成分成本為鋰$20/kg，硼$5/kg，硫$1/kg，因而其電解質(zhì)成本可以低至10微米厚度價(jià)格為每平方米$0.05，將大大降低固態(tài)電池的總成本。
雖然理論是美好的，但是現(xiàn)實(shí)還是比較艱難。Solid Power在這項(xiàng)專(zhuān)利里展示了實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示LiBS電解質(zhì)系統(tǒng)的離子電導(dǎo)率尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論數(shù)值。據(jù)此推測(cè)，Solid Power在后續(xù)的工作中會(huì)大力加強(qiáng)固態(tài)電解質(zhì)的性能研究，已實(shí)現(xiàn)其理論性能高度。
Solid Power的第三篇關(guān)鍵專(zhuān)利是關(guān)于粘接劑材料，著重于基于鋰-聚硫的材料。專(zhuān)利聲稱(chēng)該類(lèi)材料可解決常規(guī)粘接劑材料在制備過(guò)程中與溶劑或其他活性材料不相容的情況，從而大大提高成品電池的穩(wěn)定性，也降低制備工藝的成本。由于專(zhuān)利里并未涉及太多的技術(shù)參數(shù)，因此我們也就不再做過(guò)多贅述。
綜上所述，Solid Power公司的發(fā)力重點(diǎn)似乎是在固體電解質(zhì)與粘接劑材料方面，他們希望通過(guò)完善這兩種成分來(lái)提高固態(tài)電池的性能，似乎對(duì)于鋰金屬負(fù)極中可能存在的一系列問(wèn)題并沒(méi)有做太多的解讀。如果與鋰金屬負(fù)極相關(guān)的一些問(wèn)題沒(méi)有得到妥善解決，那么電池的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性就會(huì)大打折扣，因此我們期待能在將來(lái)看到更多SolidPower電池的循環(huán)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，將有助于我們了解其固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展程度。
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參考文獻(xiàn)：
1. 美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?/span>US20210126281，Solidelectrolyte material and solid-state battery made therewith
2. 國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?/span>WO2019051305，Ceramicmaterial with high lithium ion conductivity and high electrochemical stabilityfor use as solid-state electrolyte and electrode additive
3. 美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?/span>US20180083303，Binderand slurry compositions and solid state batteries made therewith
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作者簡(jiǎn)介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國(guó)德克薩斯大學(xué)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)能電池開(kāi)發(fā)工作，先后在跨國(guó)企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國(guó)能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國(guó)際期刊審稿工作，擁有國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)17項(xiàng)。
中和儲(chǔ)能公司簡(jiǎn)介：
深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國(guó)“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專(zhuān)注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)提供技術(shù)支持與咨詢(xún)服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性?xún)?chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢(xún)、及論文寫(xiě)作指導(dǎo)。