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美研究出新型電動汽車電池方案 體積減小成本減半
日期:2015-03-30

  去年,電池新創公司A123系統公司(A123 Systems)開設了另一家公司,稱為24M公司(24M),開發一種新型電池,想使電動汽車走得更遠,成本更低。現在,一篇研究論文發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上,披露了初步細節,說明那種電池如何工作。它還克服了使電池走向市場的挑戰。

  有一個大問題,鋰離子電池用于電動汽車和插電式混合動力車,只有約25%的電池體積放置的是儲存能量的材料。其余的都是由無效材料組成,如包裝,導電箔和膠水,這就使電池笨重,而且占了相當部分的成本。

  24M公司打算大大減少電池中的無效材料。據估計,這篇新論文中的電池可以實現幾乎兩倍的能量密度,這是對比今天的汽車電池組。電池具有更高的能量密度,就會更小更便宜,這意味著電動和混合動力汽車將會更便宜。這篇論文估計,這種電池成本可能低至每千瓦時250美元,低于它們現在成本的一半。

  傳統的電池組包含幾百個電池。每個電池都包含成疊的眾多多薄薄的固體電極。這些電極配以金屬箔集電器(currentcollectors),相互分隔采用塑料薄膜。要增加能量儲存,就需要增加更多層的電極材料,而這反過來就需要更多層的金屬箔和塑料薄膜。

  24M公司的設計使得有可能增加能量存儲,而不需要額外的金屬箔和塑料薄膜。關鍵的區別是,電極不是固體薄膜堆在電池里,而是堿渣狀材料存儲在容器里,一種是正極材料,另一種是負極。

  這種材料從容器泵入小型設備,它們通過的渠道是刻在金屬塊上的。當這種情況發生時,離子就會從一個電極移動到另一個電極,也是通過同樣的那種隔膜材料,就是用于傳統電池的那種。電子會離開材料,進入外部電路。在這個設計中,提高能量儲存簡單得就像增加貯存容器的尺寸,這一設備使電極互動,可以保持同樣的尺寸。這一設計也不需要連接數百個電池,以獲得足夠的能量儲存。

  這種新電池類似于一種東西,叫做液流電池(flowbattery),其中兩種電解質被泵抽著,穿過彼此。但是,傳統的液流電池比這種新設計約大10倍,因為它們使用稀釋的能量存儲溶液(diluteenergystoragesolutions),這使得它們不能實際用于汽車。

  研究人員中,帶領人是蔣業明(Yet-MingChiang),他是麻省理工學院(MIT)材料科學教授下,創立了A123系統公司和24M公司,研究人員測試各種材料,用于電極,包括鋰鈷氧化物(lithiumcobaltoxide),這是常見的筆記本電腦電池。他們證明,這種設備可以充電和放電,速度符合電動汽車的要求,蔣業明說。  

  文中還介紹,研究人員如何克服最大的設計挑戰:把電荷從堿渣中抽出。在普通的鋰離子電池中,電子傳遞要跳過連接的導電粒子,在固體電極中,直到它們到達集電器。在新的電池中,電子不會流過電解質。因此,蔣業明和同事混合了納米級碳粒子,混入堿渣;粒子自發形成互聯網絡,在流體中提供通路,讓電子逃逸。

  挑戰依然存在,在電池可以商業化之前就是這樣。導電率(electricalconductivity)仍低大約100倍,這是對比實際系統而言,蔣業明說。他還在努力提高堿渣中活性材料的濃度。

  杰夫-達恩(JeffDahn)是達爾豪西大學(DalhousieUniversity)物理和化學教授,他指出,要達到所需的電力水平,來驅動汽車,這種電化學電池仍然需要很大體積:隔膜材料(separatormaterial)必須覆蓋的面積約為3米乘4米。它可以切成可操作的片,堆疊起來,但這樣會使系統復雜,即使用這種方法,這種電池可能還是體積大,他說。

  “我們正在很好地改進這項技術,”24M公司總裁斯魯普-萬爾德(ThroopWilder)說。“認可了這篇論文,就有力地肯定了這些基本原則,會推動我們的研發。”24M公司有大約20名員工,已籌集到約1600萬美元。

  “這是一個非常智能的裝置,”達恩說。“我不知道,這是否會不僅僅是論文中的一個想法,但蔣業明此前已經使人驚訝。”

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