起底“能量密度翻倍”的鋰金屬電池

即使擁有世界上最強(qiáng)大的汽車品牌，但是在新能源特別是動(dòng)力電池方面歐洲已經(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

2020年10月，初創(chuàng)公司Lavle稱它正在建造一座超級(jí)工廠，將于2023年底前在美國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)下一代電池模塊，最終產(chǎn)能約為每年7GWh。據(jù)稱，下一代技術(shù)將徹底改變航空、航運(yùn)、鐵路、國(guó)防和石油天然氣等行業(yè)的面貌。電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)、輪船和火車的新時(shí)代可能在未來幾年開始，這要?dú)w功于能量密度是傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)兩倍的先進(jìn)鋰金屬（lithium-metal）電池的大規(guī)模生產(chǎn)。

不可否認(rèn)，即使擁有世界上最強(qiáng)大的汽車品牌，但是在新能源特別是動(dòng)力電池方面歐洲已經(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(jí)工廠大興土木

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

2019年11月，時(shí)值德國(guó)汽車制造商在電動(dòng)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(guó)研發(fā)中心，并計(jì)劃在格林海德市建設(shè)一家超級(jí)工廠，方案已獲德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部批準(zhǔn)。該工廠將生產(chǎn)新型4680電池，能量密度較現(xiàn)有型號(hào)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4月，初創(chuàng)公司Tesvolt在德國(guó)維滕伯格附近建立的光伏電池工廠開通運(yùn)營(yíng)，占地12000平方米的工廠每天可生產(chǎn)1MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)。據(jù)稱它將是歐洲第一家生產(chǎn)商用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)工廠，年產(chǎn)量超過1GWh。

2020年7月，瑞典電池公司Northvolt為歐洲鋰離子電池工廠融資16億美元，正在瑞典Skelleftea建設(shè)歐洲最大的電池工廠之一，欲在歐洲快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車電池市場(chǎng)贏得25%的份額，幫助歐洲與亞洲電池企業(yè)抗衡。

2020年8月，法國(guó)電池生產(chǎn)商Verkor宣布，將于2023年在法國(guó)開通運(yùn)營(yíng)一家年產(chǎn)量為16GWh的鋰電池生產(chǎn)工廠，并根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展再將其年產(chǎn)量擴(kuò)大至50GWh。該公司生產(chǎn)的電池將用于電動(dòng)汽車（EV）和固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域。

Northvolt聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Peter Carlsson一語道破了天機(jī)：“電氣化的勢(shì)頭比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)勁。我們的客戶需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(gè)完全區(qū)域化的價(jià)值鏈來支持他們?！?

美國(guó)超級(jí)工廠野心初露

回到本文開頭的美國(guó)下一代電池模塊超級(jí)工廠，據(jù)悉，為這座150萬平方英尺（14公頃）的設(shè)施提供的數(shù)百萬美元資金已經(jīng)“基本到位”。Lavle首席技術(shù)官Ben Gully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(jī)會(huì)。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(biāo)準(zhǔn)的制定奠定了基礎(chǔ)。

Ben Gully博士

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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備原型儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用日本3DOM開發(fā)和提供的電池。

使用鋰金屬作為電池負(fù)極被稱為電池技術(shù)的“圣杯”，它提供的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單獨(dú)使用固體電解質(zhì)，且產(chǎn)生的能量密度遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室中運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了420Wh/kg的能量密度，是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍多。與需要高溫的競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，Lavle的LMB和SEB可以在25℃環(huán)境溫度提供廣泛商業(yè)應(yīng)用所必需的安全特性。

Lavle電池實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)員測(cè)試3DOM電池

Gully解釋說：“如果你有一輛續(xù)航里程為300英里的電動(dòng)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(dòng)汽車?；蛘呷绻阒恍枰?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(huì)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)激烈、利潤(rùn)率較低的電動(dòng)汽車電池領(lǐng)域。“在其他市場(chǎng)，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(bǔ)充說。

新興應(yīng)用呼之欲出

Lavle首席運(yùn)營(yíng)官M(fèi)orten Pedersen表示，中距離深海航運(yùn)是這種新型電池應(yīng)用的一個(gè)場(chǎng)景，“你可以讓所有的北海航運(yùn)電氣化——你不會(huì)看到任何一艘柴油動(dòng)力船在歐洲國(guó)家之間運(yùn)行?！?

Morten Pedersen

另一種可能性是電動(dòng)航空。他補(bǔ)充說：在歐州“絕大多數(shù)航班的飛行時(shí)間都不到30分鐘，因此對(duì)于這樣航班，鋰金屬電池有大量應(yīng)用。有幾家航空公司表示，他們想用900kWh的電池飛行650英里（1046公里）。這通常需要一個(gè)20英尺的集裝箱，所以你今天不能飛那么遠(yuǎn)的地方。但我們的電池可以做到這一點(diǎn)?！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)引起了國(guó)防工業(yè)的注意，因?yàn)樗锌赡茉跊]有熱特征的情況下進(jìn)行長(zhǎng)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)向的軍事組織”進(jìn)行討論，不過，可以理解的是：拒絕提供細(xì)節(jié)。

類似的機(jī)會(huì)也已在鐵路、石油和天然氣行業(yè)以及新興電動(dòng)卡車領(lǐng)域出現(xiàn)。混合動(dòng)力和全電池電力推進(jìn)能夠在新的海洋和國(guó)防市場(chǎng)推廣，包括高速渡輪、長(zhǎng)航線渡輪、穿梭集裝箱船、游輪、護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、潛艇和自動(dòng)水下航行器（AUV）等等。

安全性無以出其右

毋庸置疑，負(fù)極使用碳材料的傳統(tǒng)鋰離子電池的缺點(diǎn)之一是可能著火，這對(duì)于部署在飛機(jī)、輪船、火車和石油鉆塔上是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)。

2019年，一年內(nèi)韓國(guó)風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠發(fā)生23起電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）火災(zāi)，涉及LG Chem和Samsung SDI等供應(yīng)商，長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的調(diào)查后，韓國(guó)工業(yè)部的結(jié)論是：電池保護(hù)不足、操作環(huán)境不合適、安裝錯(cuò)誤和系統(tǒng)級(jí)問題等因素都在起作用，并出臺(tái)了一系列新的管控措施。

2012年，投入運(yùn)營(yíng)剛過一年，火災(zāi)就摧毀了北美最大的夏威夷風(fēng)能儲(chǔ)存系統(tǒng)，一場(chǎng)大火燒毀了一個(gè)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：“我們所提供和開發(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(dāng)你把4-5MWh裝在一個(gè)一壁之隔有50名乘客的船上時(shí)，所要求的安全級(jí)別就大不相同了。”

Pedersen補(bǔ)充道：“如果你看看美國(guó)的大型貨運(yùn)火車，有些火車有一英里長(zhǎng)。如果其中一節(jié)因?yàn)椋姵仳?qū)動(dòng)）火車頭出問題而壞了，就會(huì)阻塞很多公路交叉口，造成嚴(yán)重混亂；它經(jīng)常運(yùn)輸燃料或煤炭——你不希望太近的地方著火。在國(guó)防方面，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)。”

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

其BMS采用廣泛測(cè)試的第二代經(jīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，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(xué)和多層傳播屏障，防止誤充電導(dǎo)致電池過熱著火；

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

新穎的氣體和泄漏檢測(cè)技術(shù)，包括雙氣體釋放閥和每個(gè)模塊內(nèi)的排氣檢測(cè)，以及全柜通風(fēng)管理，業(yè)界無人提供；

高精度動(dòng)態(tài)荷電狀態(tài)（SOC）計(jì)算，確保最佳運(yùn)行和老化控制；

高性能主動(dòng)和被動(dòng)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(yuǎn)程監(jiān)控和基于云的數(shù)據(jù)服務(wù)允許電池系統(tǒng)提供最高級(jí)別的支持和性能；

后盲配（rear blind mate）連接可消除電弧閃光風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)消除雜亂的電纜；

模塊固定在機(jī)架上，無螺絲集成鎖定機(jī)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(xué)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(fù)極。

3DOM電池和可定制模塊

他承認(rèn)，其他公司也在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)類似的電池，但3DOM和Lavle在競(jìng)爭(zhēng)中遙遙領(lǐng)先。他表示：“要讓它發(fā)揮作用，關(guān)鍵是系統(tǒng)的其余部分，還有電池的設(shè)計(jì)、電解質(zhì)等——讓所有這些東西一起工作是一個(gè)挑戰(zhàn)，”他說。vle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(fù)極之間的隔板。電子通過薄膜在正負(fù)極之間流動(dòng)，產(chǎn)生電流做功。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(dòng)，化學(xué)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(huì)燃燒。

3DOM的技術(shù)已通過日本東京都立大學(xué)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。