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,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現(xiàn)了最高的能量密度,封裝效率可以超過70%,是當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的風險;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,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。
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預計在2024年實現(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、能源存儲和消費應用中鋰金屬電池的循環(huán)壽命和速率能力,而且可以實現(xiàn)低成本。
目前主流鋰離子電池采用石墨負極,理論容量只有372mAh/g,而鋰金屬負極高達3860mAh/g,被認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獨特的液體電解質(zhì)Eternalyte與Impervio隔膜相結(jié)合可應對上述挑戰(zhàn)。該組合可以防止所有金屬枝晶的形成,并實現(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通過實現(xiàn)高循環(huán)壽命的鋰金屬電池,在實現(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集成到常規(guī)電池產(chǎn)品中,但我們相信,當它們結(jié)合在一起時,會實現(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)燃機汽車競爭。”
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喜人的測試結(jié)果
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,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,相當于3000+次循環(huán),而不會短路或增加電阻。24M認為,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預計,將在2025年開始供應電動汽車用半固態(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。”
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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、科學家和企業(yè)家創(chuàng)立和領(lǐng)導,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。
首席科學家蔣業(yè)明,1958年出生于中國臺灣,其父親是一名機車工程師。1964年,他隨家人移民至美國。1980年,蔣業(yè)明在麻省理工學院(MIT)獲得學士學位,1985年在同一所學校獲得博士學位。獲得博士學位后,他留校任教,現(xiàn)在是麻省理工學院材料科學與工程教授,2009年當選美國國家工程院院士。
他是一位在材料科學領(lǐng)域有顯著貢獻的學者,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多項專利,擔任多個政府和學術(shù)咨詢委員會的職務。在湯森路透集團于2011年3月2日發(fā)布的2000-2010年全球頂尖一百材料學家名人堂榜單,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)辦或為多家公司提供專業(yè)咨詢,涉及領(lǐng)域包括電池技術(shù)、3D打印和超導材料等。
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的鋰離子電池專家,30年前在日本見證了這項技術(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,服務于醫(yī)療和航空航天行業(yè)。隨后,他擔任電池制造商Enerdel的首席技術(shù)官和首席運營官,領(lǐng)導了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)絡技術(shù)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗。他曾是高端網(wǎng)絡安全平臺領(lǐng)導者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)供應系統(tǒng)的開發(fā)商American Internet(已被 Cisco Systems收購)的聯(lián)合創(chuàng)始人。
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14歲的初創(chuàng)公司
說是初創(chuàng)公司,其實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,該研究的目標是到2019年底開發(fā)出能量密度為350Wh/kg的電池,該目標已在實驗室中實現(xiàn)。
2018年12月,24M 宣布已在日本公司京瓷集團(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達成合作,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)動力電池項目在山東省煙臺市福山簽約,項目總投資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300-340Wh/kg的半固態(tài)技術(shù)體系動力電池和儲能電池,應用于整車、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)”。
2024年,24M推出的ETOP封裝技術(shù)、 Impervio隔膜技術(shù)以及Eternalyte電解質(zhì)的強力組合,將把半固態(tài)電池技術(shù)向低成本、高能量、高安全和快充能力的目標又推進了一大步。
24M希望實現(xiàn)的下一代電池的快速、大規(guī)模生產(chǎn)可能會對整個社會的電池采用產(chǎn)生巨大影響——從電動汽車的成本和性能到可再生能源取代化石燃料的能力。