美國(guó)學(xué)者研究開(kāi)發(fā)出新型鋰離子動(dòng)力電池體量大為縮減
2014-04-20 18:13:09
admin
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據(jù)蓋世汽車(chē)網(wǎng)2011年6月13日訊 電池新創(chuàng)A123系統(tǒng)公司（A123 Systems）2010年新開(kāi)設(shè)了一家名為24M的公司，該企業(yè)*新開(kāi)發(fā)了一種新型電池，可使電動(dòng)汽車(chē)走得更遠(yuǎn)，成本更低。相關(guān)開(kāi)發(fā)的一篇研究論文發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上，披露了初步細(xì)節(jié)，說(shuō)明這種電池是如何工作的。目前，這種電池已經(jīng)走向市場(chǎng)。
鋰離子電池用于電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力車(chē)，普遍存在著一個(gè)大問(wèn)題，電池體積只有約25%安置的是儲(chǔ)存能量的材料，其余的都是由無(wú)效材料組成，如包裝、導(dǎo)電箔和膠水，這就使電池太笨重，而且占了相當(dāng)部分的成本。
24M公司打算大大減少電池中的無(wú)效材料。據(jù)估計(jì)，對(duì)比今天的汽車(chē)電池組，這篇新論文中的電池可以實(shí)現(xiàn)幾乎兩倍的能量密度。電池具有更高的能量密度，就會(huì)更小更便宜，這意味著電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)將會(huì)更便宜。論文中測(cè)算，這種電池成本可能低至每千瓦時(shí)250美元，相當(dāng)于現(xiàn)在成本的一半。
傳統(tǒng)的電池組包含幾百個(gè)電池。每個(gè)電池都包含成疊的眾多薄薄的固體電極。這些電極配以金屬箔集電器（Current Collectors），相互分隔采用塑料隔膜。要增加能量?jī)?chǔ)存，就需要增加更多層的電極材料，而這反過(guò)來(lái)就需要更多層的金屬箔和塑料隔膜。
24M公司的設(shè)計(jì)使得在有可能增加能量存儲(chǔ)的同時(shí)，不需要額外的金屬箔和塑料隔膜。關(guān)鍵的區(qū)別是，電極不是固體薄膜堆在電池里，而是堿渣狀材料存儲(chǔ)在容器里，一種是正極材料，另一種是負(fù)極。
這種材料從容器泵入小型設(shè)備，它們通過(guò)的渠道是刻在金屬塊上的。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，離子就會(huì)從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極，也是通過(guò)同樣的那種隔膜材料（就是用于傳統(tǒng)電池的那種），電子會(huì)離開(kāi)材料，進(jìn)入外部電路。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，提高能量?jī)?chǔ)存簡(jiǎn)單得就像增加貯存容器的尺寸，這一設(shè)備使電極互動(dòng)，可以保持同樣的尺寸。這一設(shè)計(jì)也不需要連接數(shù)百個(gè)電池，以獲得足夠的能量?jī)?chǔ)存。
這種新電池類(lèi)似于一種叫做液流電池（Flow Battery）東西，其中兩種電解質(zhì)被泵抽著，穿過(guò)彼此。但是，傳統(tǒng)的液流電池比這種新設(shè)計(jì)約大10倍，因?yàn)樗鼈兪褂孟♂尩哪芰看鎯?chǔ)溶液（Diluteenergy Storage Solutions），這使得它們不能實(shí)際用于汽車(chē)。
以麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)蔣業(yè)明教授（Yet-MingChiang）為首的研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)立了A123系統(tǒng)公司和24M公司。他們實(shí)驗(yàn)測(cè)試了用于作電極的各種材料，包括鋰鈷氧化物（Lithium Cobaltoxide）等（這是常見(jiàn)的筆記本電腦電池）。蔣業(yè)明說(shuō)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這種設(shè)備可以充電和放電，且速度符合電動(dòng)汽車(chē)的要求。
論文中還介紹，研究人員如何克服*大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——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(guò)連接的導(dǎo)電粒子，在固體電極中，直到它們到達(dá)集電器。在新的電池中，電子不會(huì)流過(guò)電解質(zhì)。因此，蔣業(yè)明和同事混合了納米級(jí)碳粒子，混入堿渣；粒子自發(fā)形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在流體中提供通路，讓電子逃逸。
接下來(lái)的挑戰(zhàn)依然存在（這在電池可以商業(yè)化之前就是這樣）。蔣業(yè)明說(shuō)，導(dǎo)電率（Electrical Conductivity）仍低大約100倍，這是對(duì)比實(shí)際系統(tǒng)而言。他還在努力提高堿渣中活性材料的濃度。
杰夫·達(dá)恩（JeffDahn）是達(dá)爾豪西大學(xué)（Dalhousie University）物理和化學(xué)教授，他指出，要達(dá)到所需的電力水平，來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，這種電化學(xué)電池仍然需要很大體積：隔膜材料（Separator Material）必須覆蓋的面積約為3m×4m。它可以切成可操作的片，堆疊起來(lái)，但這樣會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，即使用這種方法，這種電池可能還是體積大，他說(shuō)。
“我們正在很好地改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，”24M公司總裁斯魯普·萬(wàn)爾德（Throop Wilder）說(shuō)。“認(rèn)可了這篇論文，就有力地肯定了這些基本原則，會(huì)推動(dòng)我們的研發(fā)。”24M公司有大約20名員工，已籌集到約1600萬(wàn)美元。
“這是一個(gè)非常智能的裝置，”達(dá)恩說(shuō)。“我不知道，這是否會(huì)不僅僅是論文中的一個(gè)想法，但蔣業(yè)明此前已經(jīng)使人驚訝。”