鉅大LARGE | 點擊量：688次 | 2022年12月20日
【揭底】"無負極電池"高能量密度的秘密
最近炒得很熱的一個叫SolidEnergy的美國startup，據(jù)稱其獨創(chuàng)的無負極電池技術(shù)可以使電池達到1337Wh/L的能量密度，該公司創(chuàng)始人之一華裔科學家胡啟朝博士宣稱該技術(shù)將顛覆電動汽車行業(yè)，并有望在未來一兩年之內(nèi)投入實際應(yīng)用。
筆者仔細觀看了SolidEnergy網(wǎng)站供應(yīng)的視頻信息并且查閱了胡博士發(fā)表的相關(guān)文獻，假如這些信息屬實的話，筆者認為這種電池就是采用金屬鋰作負極LCO作正極的電池，只是負極金屬鋰層很薄，而并不是真的沒有負極。
讀者是不是覺得似曾相識呢？沒錯，七十年代鋰電池剛誕生時(更準確一點說是鈷酸鋰剛被用作正極材料時)就是這樣的。所不同的是根據(jù)SolidEnergy的描敘，金屬鋰是通過某種技術(shù)沉積在銅箔集流體表面，然后在鋰層上再沉積一層很薄的聚合離子液體電解質(zhì)層。暫且不論成本(沉積工藝和離子液體的價格)以及高活性金屬鋰的操作安全問題，大規(guī)模生產(chǎn)中諸多復雜的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程問題就遠非一個新興公司能夠解決。
在筆者看來，SolidEnergy最大的挑戰(zhàn)還是在于金屬鋰負極，因為SolidEnergy所宣稱的巨大潛力和光明的未來都是基于高活性鋰金屬可以作為負極(否則高能量密度將是虛幻)這樣一個假設(shè)。
其實，從鋰電池的誕生歷史我們可以很清楚地看到，鋰電池采用碳負極的根本原因，正是因為鋰嵌碳化合物降低了金屬鋰的高活性。所以，基于嵌入反應(yīng)的鋰電池其實是不得已的折衷辦法!最近兩年，國際上有關(guān)金屬鋰負極的研究掀起了一陣小高潮，從基礎(chǔ)研究的角度而言是很好理解的。要想進一步提高鋰電的比能量，那么就必須打破現(xiàn)在的嵌入反應(yīng)機理的束縛,跟其它常規(guī)化學電源相同采用異相氧化還原機理，也就是采用金屬鋰做負極，使用金屬鋰負極的電池自然是終極鋰電池。正如之前筆者討論過的，以金屬鋰做負極的終極鋰電池能否實現(xiàn)，安全性問題仍然是第一決定性因素。而迄今為止，SolidEnergy并沒供應(yīng)其電池的相關(guān)測速數(shù)據(jù)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
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-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
曾遭遇
NEC在1990年收購Moli以后，對Li-MoS2電池仍然不死心，為了完成ConfirmationTest，Moli做了五萬個電池，每一個電池都用X-Ray檢查缺陷，整整花費了一年半的時間，最后結(jié)論仍然是金屬鋰不適合用于負極材料。所以，鋰金屬作負極在電池工業(yè)界是一個般經(jīng)典的案例。
現(xiàn)在每當電池工業(yè)界的內(nèi)行人(尤其是日本同行)聽到有人忽悠Li-S和Li-Air電池的時候，他們的嘴邊都是泛起一絲殘忍的微笑，因為這兩個電化學體系的最核心問題正是筆者前面討論過的金屬鋰負極問題。NEC完成ConfirmationTest的時間已經(jīng)到了1992年，而SONY在一年前就以已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了基于碳負極的鋰電池。正是因為NEC沉迷于金屬鋰負極，才在鋰電池的生產(chǎn)上被SONY遠遠地拋在了后面。吉野和西美先生能夠在八十年代初期就完全拋棄金屬鋰負極的想法，筆者不得不由衷的欽佩他們當初的遠見卓識。
筆者這里不是說金屬鋰負極沒有意義，而是想要強調(diào)，這個領(lǐng)域突破的難度極大，根本不是當前學術(shù)界有些人玩弄花里胡哨的納米概念所能解決的(J.R.Dahn就納米鋰電問題多次做過尖銳批評)。在筆者看來，只有采用固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能讓金屬鋰負極的實際應(yīng)用成為可能。日本Toyota(豐田汽車)是國際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上遙遙領(lǐng)先其它公司和科研機構(gòu)，而Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累。
過去數(shù)十年，由于全球新能源研究的再次興起，美國成立了很多電池相關(guān)的風投小公司。這些新興公司重要集中在美國西海岸加州硅谷一帶和東海岸波士頓附近，據(jù)不完全統(tǒng)計多達上百家。有一定知名度的鋰電新興公司有Envia,Ambri，ImprintEnergy，AlveoEnergy，SilaNanotechnologies，BoulderIonics，PrietoBattery，Sakti3，Xilectric，Amprius，LeydenEnergy，CaliforniaLithiumBattery，PolyPuls等等。受制于美國鋰電產(chǎn)業(yè)非常薄弱的現(xiàn)實，這些鋰電新興公司幾乎都把開拓我國市場當作重要目標之一。這些鋰電新興公司里基本上都有華人技術(shù)骨干，出口轉(zhuǎn)內(nèi)銷，國人未免對它們倍感親切備受推崇。
鋰電產(chǎn)業(yè)是一個資本加技術(shù)密集型的高科技行業(yè)，屬于典型的實體經(jīng)濟范疇，所以鋰電領(lǐng)域內(nèi)具有產(chǎn)業(yè)意義上的技術(shù)進步仍然是很緩慢的，要解決科學和工程方面的一系列難題，取得革命性突破非常困難。比如鋰電產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)二十多年了，基本生產(chǎn)工藝跟20年前仍然差別不大，LCO和石墨材料仍然占據(jù)超過50%和99%的正極和負極的市場份額。
而另一方面，在整個鋰電產(chǎn)業(yè)鏈上，產(chǎn)量、市場、技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)都越來越向少數(shù)跨國公司集中，這種馬太效應(yīng)使得新入行的新興公司很難或者可以說幾乎就沒有翻身的可能，這正是實體經(jīng)濟和IT行業(yè)一個很大的差別。這些新興公司里，最接近成功的當屬A123了，其他的新興公司還都在為生存而掙扎。之所以Facebook、Google這樣的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)神話不能在電池行業(yè)被復制，背后是有深層次原因的。
作為一名科研工作者，筆者對任何新技術(shù)都持開放的態(tài)度。筆者這些年一直在鋰電研發(fā)和生產(chǎn)一線，接觸了不少這樣的新興公司和它們的革命性電池技術(shù)。實事求是而言，這些所謂的新技術(shù)大部分僅僅只是一個概念或者idea而已，所謂的電池技術(shù)突破性進展，基本上都是新興公司為博得眼球或者獲取風險投資的宣傳伎倆。歷史總是何曾地相似，回顧鋰電池的誕生歷史，我們應(yīng)當對這些問題會有更加深刻的理解和認識。
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