即使擁有世界上最強大的汽車品牌,但是在新能源特別是動力鋰電池方面歐洲已經(jīng)落后于亞洲,為此,在政府和產(chǎn)業(yè)界的支持下,歐洲正在奮起直追。

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

2020年十月,初創(chuàng)公司Lavle稱它正在建造一座超級廠,將于2023年底前在美國大規(guī)模生產(chǎn)下一代電池模塊,最終產(chǎn)量約為每年7GWh。據(jù)稱,下一代技術(shù)將徹底改變特種、航運、鐵路、特種和石油天然氣等行業(yè)的面貌。電池驅(qū)動的飛機、輪船和火車的新時代可能在未來幾年開始,這要歸功于能量密度是傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)兩倍的先進鋰金屬(lithium-metal)電池的大規(guī)模生產(chǎn)。

不可否認,即使擁有世界上最強大的汽車品牌,但是在新能源特別是動力鋰電池方面歐洲已經(jīng)落后于亞洲,為此,在政府和產(chǎn)業(yè)界的支持下,歐洲正在奮起直追。

歐美超級廠大興土木

近兩年,歐美興建生產(chǎn)各種儲能電池的超級廠的消息不脛而走,旨在搶鋰離子電池一壁江山,為未來的脫碳未雨綢繆。

2019年十一月,時值德國汽車制造商在電動汽車和電池領(lǐng)域投入巨資之際,特斯拉宣布將在柏林建造特斯拉德國研發(fā)中心,并計劃在格林海德市建設(shè)一家超級廠,方法已獲德國聯(lián)邦經(jīng)濟和能源部批準。該廠將生產(chǎn)新型4680電池,能量密度較現(xiàn)有型號提升5倍,功率提高6倍,占用空間更小,能量消耗也更少。

2020年四月,初創(chuàng)公司Tesvolt在德國維滕伯格附近建立的光伏電池廠開通運營,占地12000平方米的廠每天可生產(chǎn)1MWh儲能系統(tǒng)。據(jù)稱它將是歐洲第一家生產(chǎn)商用電池儲能系統(tǒng)的超級廠,年產(chǎn)量超過1GWh。

2020年七月,瑞典電池公司Northvolt為歐洲鋰離子電池廠融資16億美元,正在瑞典Skelleftea建設(shè)歐洲最大的電池廠之一,欲在歐洲快速上升的電動汽車電池市場贏得25%的份額,幫助歐洲與亞洲電池公司抗衡。

2020年八月,法國電池生產(chǎn)商Verkor宣布,將于2023年在法國開通運營一家年產(chǎn)量為16GWh的鋰離子電池生產(chǎn)廠,并根據(jù)市場發(fā)展再將其年產(chǎn)量擴大至50GWh。該公司生產(chǎn)的電池將用于電動汽車(EV)和固定式儲能領(lǐng)域。

Northvolt聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官PeterCarlsson一語道破了天機:“電氣化的勢頭比以往任何時候都更加強勁。我們的客戶要大量低二氧化碳排放量的高質(zhì)量電池,歐洲必須建立一個完全區(qū)域化的價值鏈來支持他們?！?/p>

美國超級廠野心初露

回到本文開頭的美國下一代電池模塊超級廠,據(jù)悉,為這座150萬平方英尺(14公頃)的設(shè)施供應(yīng)的數(shù)百萬美元資金已經(jīng)“基本到位”。Lavle首席技術(shù)官BenGully博士解釋說,將鋰離子技術(shù)的能量密度提高一倍將創(chuàng)造大量的機會。此前,他曾在DNV-GL的海事咨詢小組中領(lǐng)導(dǎo)了鋰離子電池安全的研究,為全球最高鋰離子電池安全標準的制定奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)介紹,Lavle正在為其大型鋰金屬電池(LMB)和固體電解質(zhì)電池(SEB)儲能系統(tǒng)設(shè)計和準備原型儲能系統(tǒng),該系統(tǒng)利用日本3DOM開發(fā)和供應(yīng)的電池。

使用鋰金屬作為電池負極被稱為電池技術(shù)的“圣杯”,它供應(yīng)的好處遠遠超過了單獨使用固體電解質(zhì),且出現(xiàn)的能量密度遠高于目前其他商用鋰離子電池。具有這些特性的大容量電池已經(jīng)在3DOM和Lavle實驗室中運行。

這些電池采用3DOM的隔膜技術(shù),不僅有利于LMB和SEB(鈍化電池)電池的功能,而且使這些電池的安全水平大大超過目前最先進的鋰離子電池。Lavle的SEB和LMB技術(shù)已經(jīng)在全尺寸大容量電池中實現(xiàn)了420Wh/kg的能量密度,是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍多。與要高溫的競爭解決方法相比,Lavle的LMB和SEB可以在25℃環(huán)境溫度供應(yīng)廣泛商業(yè)應(yīng)用所必需的安全特性。

Gully解釋說:“假如你有一輛續(xù)航里程為300英里的電動汽車,就可以用同樣大小和重量的電池變成續(xù)航里程600英里的電動汽車?；蛘呒偃缒阒灰?00英里里程,那么你可以把電池重量減半,這樣你的車性能會更好?？梢韵胂?能量密度開辟了我們現(xiàn)在甚至無法想象的全新應(yīng)用和電池用例。”

他表示,一旦供應(yīng)鏈建立,電池規(guī)?；a(chǎn),其鋰金屬電池將能夠?qū)崿F(xiàn)每千瓦時與傳統(tǒng)鋰離子電池的持平成本。不過,該公司目前并不熱衷于涉足競爭激烈、利潤率較低的電動汽車電池領(lǐng)域?！霸谄渌袌?能量密度的好處是改變游戲規(guī)則,開發(fā)出可行的產(chǎn)品和系統(tǒng),沒有它則萬萬不可能,”Gully補充說。

新興應(yīng)用呼之欲出

Lavle首席運營官MortenPedersen表示,中距離深海航運是這種新型電池應(yīng)用的一個場景,“你可以讓所有的北海航運電氣化——你不會看到任何一艘柴油動力船在歐洲國家之間運行?！?/p>

另一種可能性是電動特種。他補充說:在歐州“絕大多數(shù)航班的飛行時間都不到30分鐘,因此關(guān)于這樣航班,鋰金屬電池有大量應(yīng)用。有幾家特種公司表示,他們想用900kWh的電池飛行650英里(1046公里)。這通常要一個20英尺的集裝箱,所以你今天不能飛那么遠的地方。但我們的電池可以做到這一點?！崩碚撋?這將允許從倫敦飛往布拉格(1033公里)的商業(yè)航班使用可再生能源電池。

據(jù)悉,這種高能量密度電池已經(jīng)引起了特種工業(yè)的注意,因為它有可能在沒有熱特點的情況下進行長距離、幾乎無聲的飛行。該公司表示,目前正在與“以研究為導(dǎo)向的特種組織”進行討論,不過,可以理解的是:拒絕供應(yīng)細節(jié)。

類似的機會也已在鐵路、石油和天然氣行業(yè)以及新興電動卡車領(lǐng)域出現(xiàn)?；旌蟿恿腿姵仉娏ν七M能夠在新的海洋和特種市場推廣,包括高速渡輪、長航線渡輪、穿梭集裝箱船、游輪、護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、特種和自動水下航行器(AUV)等等。

安全性無以出其右

毋庸置疑,負極使用碳材料的傳統(tǒng)鋰離子電池的缺點之一是可能著火,這關(guān)于部署在飛機、輪船、火車和石油鉆塔上是一個潛在的危險。

2019年,一年內(nèi)韓國風能和太陽能發(fā)電廠發(fā)生23起電池儲能系統(tǒng)(ESS)火災(zāi),涉及LGChem和SamsungSDI等供應(yīng)商,長達數(shù)月的調(diào)查后,韓國工業(yè)部的結(jié)論是:電池保護不足、操作環(huán)境不合適、安裝錯誤和系統(tǒng)級問題等因素都在起用途,并出臺了一系列新的管控措施。

早在2012年,投入運營剛過一年,火災(zāi)就摧毀了北美最大的夏威夷風能儲存系統(tǒng),一場大火燒毀了一個15MW電池組。

Lavle已經(jīng)專注于防范此類事件的技術(shù),這絕非巧合。Gully說:“我們所供應(yīng)和開發(fā)的安全性水平是系統(tǒng)的固有特性,在行業(yè)內(nèi)基本上是無與倫比的。當你把4-5MWh裝在一個一壁之隔有50名乘客的船上時,所要求的安全級別就大不相同了?！?/p>

Pedersen補充道:“假如你看看美國的大型貨運火車,有些火車有一英里長。假如其中一節(jié)因為(電池驅(qū)動)火車頭出問題而壞了,就會阻塞很多公路交叉口,造成嚴重混亂;它經(jīng)常運輸燃料或煤炭——你不希望太近的地方著火。在特種方面,它可能是一種任務(wù)關(guān)鍵性的東西,或與士兵的安全有關(guān)?！?/p>

眾所周知,電池的強度取決于鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié),而Lavle的先進電池管理系統(tǒng)(BMS)具有“貫穿整個ESS的雙冗余設(shè)計,可確保系統(tǒng)中任何地方的單個組件故障都不會導(dǎo)致超過一個電池串的故障”,其被動和主動平衡解決方法能夠完全緩解任何意外情況。

其BMS采用廣泛測試的第二代相關(guān)經(jīng)驗證設(shè)計,安全功能包括:

完全緩解熱失控的高效熱管理系統(tǒng),具有高性能液體冷卻、優(yōu)化電池化學和多層傳播屏障,防止誤充電導(dǎo)致電池過熱著火;

每個電池上都有雙重冗余電壓感應(yīng),確保準確檢測電壓,防止意外過度充電;

新穎的氣體和泄漏檢測技術(shù),包括雙氣體釋放閥和每個模塊內(nèi)的排氣檢測,以及全柜通風管理,業(yè)界無人供應(yīng);

高精度動態(tài)荷電狀態(tài)(SOC)計算,確保最佳運行和老化控制;

高性能主動和被動平衡系統(tǒng)確保最大可用容量利用率,提高系統(tǒng)壽命和可靠性;

高度安全的遠程監(jiān)控和基于云的數(shù)據(jù)服務(wù)允許電池系統(tǒng)供應(yīng)最高級別的支持和性能;

后盲配(rearblindmate)連接可消除電弧閃光風險,同時消除雜亂的電纜;

模塊固定在機架上,無螺絲集成鎖定機構(gòu),便于清潔安裝。

鋰金屬電池技術(shù)的由來

鋰金屬電池是由Lavle的合資伙伴3DOM(持有多數(shù)股權(quán))開發(fā)的。后者是2014年在東京都立大學成立的初創(chuàng)公司。

根據(jù)Gully解釋,3DOM的下一代專利技術(shù)基本上是一種鋰離子電池,不同之處在于用鋰金屬制成的電極取代了傳統(tǒng)的石墨負極。

他承認,其他公司也在實驗室研發(fā)類似的電池,但3DOM和Lavle在競爭中遙遙領(lǐng)先。他表示:“要讓它發(fā)揮用途,關(guān)鍵是系統(tǒng)的其余部分,還有電池的設(shè)計、電解質(zhì)等——讓所有這些東西一起工作是一個挑戰(zhàn),”他說。

Lavle新一代鋰基ESS的特性均源于3DOM隔膜。3DOM是一家新型隔膜技術(shù)開發(fā)公司,而隔膜是電池正負極之間的隔板。電子通過薄膜在正負極之間流動,出現(xiàn)電流做功。3DOM隔膜由高耐熱性聚酰亞胺樹脂制成,隔膜球孔整齊排列,直徑為數(shù)百納米。由于孔洞的大小一致,排列有序,因而離子統(tǒng)一流動,化學反應(yīng)均勻,可防止熱失控(過熱),從而使電池具有固有的安全性,即使在400℃的高溫下也不會燃燒。

3DOM的技術(shù)已通過日本東京都立大學的各種審查,并得到了日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)的支持。

研究直指鋰枝晶形成

目前,鋰離子電池的負極重要使用碳材料,而3DOM公司用的是鋰金屬。后者雖然很容易提高電容量,但也有短路起火的風險。而起火原因就是枝晶(dendrites)現(xiàn)象,即由于化學反應(yīng)不平衡,在負極表面生長出的柱狀結(jié)晶。

早在2012年二月,由東京都立大學城市環(huán)境科學研究生院應(yīng)用化學系的KazuheiMiyahara、YongchengJin、HirokazuMunakata和KiyoshiKanamura研究的3DOM高倍率性能可充電鋰離子電池用聚酰亞胺隔膜即已在ECS(美國電化學學會)會議上發(fā)表。

論文指出,金屬鋰是各種負極材料中容量最大、氧化還原電位最低的一種。因此,它有望成為下一代電池的理想負極材料。到目前為止,利用金屬鋰作為可充電鋰離子電池的研究已經(jīng)很多。然而,由于鋰離子電池的低循環(huán)性和安全性問題,使得鋰離子電池一直沒有得到實際應(yīng)用(現(xiàn)在已實際應(yīng)用,但安全仍存在問題),這與鋰離子電池在充放電循環(huán)中沉積的形態(tài)有關(guān)。特別是鋰金屬的枝晶形態(tài)降低了電池的可充電性和安全性。在金屬鋰沉積過程中,由于電流分布較大導(dǎo)致了枝晶形成。這種大電流分布是由于鋰金屬表面的不均勻性造成的。

論文認為:“為了抑制鋰枝晶的形成,必須控制和穩(wěn)定鋰金屬的表面狀態(tài)。在之前的工作中,我們發(fā)現(xiàn)使用具有三維有序大孔(3DOM)結(jié)構(gòu)的隔膜可以抑制枝晶的形成。”

論文介紹說,3DOM隔膜的孔隙率非常高,約為70%,是常規(guī)聚丙烯(PP)隔膜孔隙率的兩倍。此外,3DOM隔膜內(nèi)孔隙的大小和分布非常均勻。這種優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性實現(xiàn)了鋰金屬負極的實際應(yīng)用,有望用于常規(guī)電極材料,提高電池的安全性和倍率性能。通過深入研究3DOM隔膜中鋰離子的導(dǎo)電性,并在可充電鋰金屬電池的充放電試驗中證明了其倍率性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

3DOM隔膜的三維有序大孔結(jié)構(gòu)

用實驗性聚酰亞胺制備的3DOM隔膜像蜂巢相同,有序排列著平均粒徑為300nm的單分散二氧化硅微珠,采用膠體晶體模板法制備的均勻孔隙實現(xiàn)了整體均勻的化學反應(yīng)。

研究中,用2032鈕扣電池對3DOM隔膜的性能進行了評價,采用了兩種類型的電芯配置。一種是對稱配置的鋰金屬/3DOM隔膜/鋰金屬。另一種是全電芯結(jié)構(gòu)的鋰金屬/3DOM隔膜/LiNi0．8Co0．15Al0．05O2(NCA)復(fù)合材料。通過澆注含NCA的漿料,以鋁箔集流體(currentcollector)重量乙炔黑=94:3:3制備了NCA復(fù)合材料聚偏氟乙烯(PVDF)。NCA復(fù)合材料的厚度約為130μm。在碳酸乙烯酯(EC)使用1moldm-3(表示濃度,每立方分米,即升)的LiPF6(六氟磷酸鋰):碳酸二乙酯(DEC)=1:1,作為電解質(zhì)溶液。

結(jié)果表明,3DOM聚酰亞胺隔膜中直徑約300nm的孔分布均勻。這些孔的相互連接也證實了在每個孔隙中形成了較小的孔。

3DOM聚酰亞胺隔膜的表面SEM圖像

該研究顯示了鋰金屬/隔膜(EC中1moldm-3LiPF6,DEC=1:1)/NCA復(fù)合配置的完整電池倍率性能。使用3DOM隔膜,電池中可保持高達2．0C倍率。相反,在高于0．5C的較高C倍率下,觀察到PP隔膜的容量下降明顯,這一結(jié)果清楚地表明了3DOM隔膜的優(yōu)越性。

3DOM隔膜的優(yōu)越倍率性能

結(jié)論是:由規(guī)則結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的均勻電流分布抑制了枝晶的出現(xiàn),顯著提高了電池的壽命和可靠性。

公司就用3DOM來命名

3DOM公司的名字正是來自于其創(chuàng)新的專有隔膜技術(shù)——Kanamura教授(3DOM董事兼首席技術(shù)官)的研究成果。

3DOM最初是一家由大學創(chuàng)辦的創(chuàng)業(yè)公司,總部位于日本橫濱。橫濱市可謂是下一代電池研發(fā)的“梁山泊”,聚集了來自各大型機電制造商和汽車生產(chǎn)商的離職科研人員,還有尋求新發(fā)展的技術(shù)人員。

值得一提的是,3DOM的高管中有不少曾在松下工作過。這些人從事鋰離子電池開發(fā)業(yè)務(wù)已有30余年,分別擔任過松下電池公司董事、能源公司鋰離子電池事業(yè)部總經(jīng)理等要職;參與了行業(yè)首款大功率相機用鋰原電池的開發(fā)和量產(chǎn)項目,以及為特斯拉供應(yīng)電池的廠啟動。

在新業(yè)務(wù)的感召下,原本只有Kanamura教授一人的公司吸引了許多大公司的工程師,現(xiàn)在,其工程師已有70余名。

3DOM重要從事隔膜的研究和開發(fā),目的是抑制枝晶的析出,枝晶是鋰離子電池(LIB)和鋰金屬電池劣化的重要原因。作為3DOM的旗艦產(chǎn)品之一,其隔膜在熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性方面都獲得了很高的評價。均勻的孔結(jié)構(gòu)可防止不均勻的電力反應(yīng),有助于抑制枝晶沉淀,并供應(yīng)均勻的離子流,防止因短路和著火而過熱,最終實現(xiàn)電池性能和可靠性的顯著提高。

采用3DOM規(guī)模的的BESS系統(tǒng)供應(yīng)了比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高的能量體積和重量能量密度,以及更長的生命周期。它還最大限度地減少了鈷的使用,從而降低了生產(chǎn)成本。3DOMBESS解決方法可以滿足各種情況下的客戶需求,包括采礦設(shè)施、特種基地、化廠、碾米廠、機場以及石油和天然氣設(shè)施。先進的鋰離子電池技術(shù),長期供應(yīng)價格合理、穩(wěn)定的電價。

這項技術(shù)已被NEDO認定為一項突破性電池技術(shù),并作為D期項目采用,其目標是將有前景的技術(shù)商業(yè)化,以供實際使用。

加速下一代電池產(chǎn)量布局

六年內(nèi),3DOM成立(含收購)了6家子公司,除了利用最先進的電池技術(shù)供應(yīng)電氣化整體解決方法,推動油氣船舶和機械的電氣化,為特種工業(yè)供應(yīng)新型電池之外,還希望引入與下一代交通基礎(chǔ)設(shè)施電氣化相關(guān)的服務(wù),包括:電動汽車租賃業(yè)務(wù)、無人機及其他飛行器空中出行解決方法、區(qū)塊鏈應(yīng)用研究和開發(fā),以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等其他技術(shù)的集成。

3DOM及重要子公司

3DOM研究、開發(fā)和設(shè)計下一代電池的目標是為任何地方、任何人供應(yīng)電力,在全球范圍內(nèi)部署使用這些技術(shù)的公司,解決能源問題,建立可持續(xù)發(fā)展的社會。

通過在電池制造、再利用和再循環(huán)方面的創(chuàng)新,以及跨特種航天、航海、移動和存儲領(lǐng)域應(yīng)用的開發(fā)和部署,3DOM正在數(shù)字化改變電池生命周期,為能源、人和物的流動供應(yīng)社交平臺,實現(xiàn)“電池即服務(wù)”的創(chuàng)新商業(yè)模式。

3DOM的使命

為配合其鋰金屬電池的商業(yè)化推廣,3DOM正加速其產(chǎn)量布局,已經(jīng)與美國、歐洲等多家汽車和無人機制造商達成合作協(xié)議。目前,公司已經(jīng)美國西雅圖郊區(qū)生產(chǎn)鋰離子電池,并計劃明年在美國再建一家廠,為生產(chǎn)下一代電池做準備。3Dom的目標是在2023年實現(xiàn)其鋰金屬電池的商業(yè)化。

2020年十一月,3DOM新加坡公司與CosmosGlobal簽署協(xié)議成立合資公司,在孟加拉國建立一家電動汽車裝配廠,包括租賃電動汽車,供應(yīng)即時用車服務(wù),幫助孟加拉國實現(xiàn)用電動汽車取代內(nèi)燃機汽車消除二氧化碳排放的目標。

同時,3DOM還與MemorandumofUnderstanding簽署了一份諒解備忘錄,為緬甸Pathein工業(yè)城項目的屋頂太陽能解決方法與電池儲能系統(tǒng)供應(yīng)電池產(chǎn)品。

未來計劃

3DOM電池技術(shù)和3DOM商業(yè)模式的優(yōu)勢在于高度適用于電氣化發(fā)展迅速的出行市場,包括未來的完全自動駕駛出行時代。3DOM代表董事MasatakaMatsumura表示:“我們正從用人工智能(AI)創(chuàng)造計算機大腦時代進入DI(數(shù)字智能)的數(shù)字化時代。通過基于個體體驗的深刻理解,以及對條件和情境的數(shù)字化把握,我們的電池將把人與人、人與機器聯(lián)系起來。”

他表示:“我們將盡快滿足這些需求,并通過進一步推廣電力流動和可再生能源,努力關(guān)閉化石燃料時代的帷幕,為保護和恢復(fù)全球環(huán)境作出貢獻。此外,我們希望成為新時代開門紅的,推動推出由于蓄電池性能受到抑制而尚未實現(xiàn)的下一代服務(wù),例如使用無人機的新公司。”

Gully也表示:“我們的長期目標是通過利用這些新一代電池的獨特商業(yè)模式,努力建立和維護一個以蓄電池為中心的能源平臺,用鋰金屬電池占領(lǐng)世界。我認為,我們正在做的最重要的事就是打開通往可能性的閘門。我們從鋰金屬成分中得到的理論能量密度相當驚人。通過數(shù)字智能和電氣化技術(shù),將幫助我們創(chuàng)造與自然和諧的美好未來?！?/p>