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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

时间:2022-05-05 11:58来源:极客公园 作者:周永亮
点击: 次
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（2600Wh/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UlrichEhmes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（2600Wh/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SionPower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TeamGlobal有关。据了解，TeamGlobal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，TeamGlobal已经投资了许多航空航天初创公司，比如Autoflight、Volocopter、MILESmobility和ArcherAviation。
 
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。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 水晶电池
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