固体能源系统公司今年将在无人机上应用更安全的锂电池

李倩 发表于 2018-10-09 10:22:37 收藏 已收藏
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固体能源系统公司今年将在无人机上应用更安全的锂电池

李倩 发表于 2018-10-09 10:22:37

固体能源系统公司今年将在无人机上应用更安全的锂电池,并将于2021年之后将其用于汽车。

锂离子电池号称容量大,循环寿命长,但有发生爆炸的危险,有可能导致伤亡,产品可能会被召回,乘客也可能会被禁止携带锂电池搭乘飞机。

研究人员宣称固态锂电池是一种更安全的电池。固态电池技术将用塑料或陶瓷等惰性固体代替易燃液体电解质。研究人员几十年来一直在追求固态电池技术,却没有推出任何产品。

现在,位于美国马萨诸塞州的固体能源系统公司(SolidEnergy Systems)计划成为第一家销售此类电池的公司。这家初创公司表示,新电池的电能存储容量是相同重量的传统锂离子电池的两倍。

这意味着设备的续航时间是原来的两倍。例如,现在“先进无人机上装载有传感器、摄像头和处理器,电池只能续航20分钟,而且很重。”创始人胡启超(Qichao Hu,音)说。使用固体能源系统公司的新型电池,这些无人机可以飞行40分钟或更长时间。

该公司目前正在测试用于无人机的电池,预计将在今年年末开始销售,随后将在2019年推出用于可穿戴设备的电池,在2021年后推出用于电动车辆的电池。

当今的电池使用锂盐的稀溶液作为电解质,其作用是在碳阳极和锂过渡金属氧化物阴极之间来回传输离子。一些陶瓷、聚合物和玻璃材料也能很好地发挥这个作用。除了比液体电解质更安全之外,这些替代品还可以支持纯锂阳极,这将提高能量密度。

20世纪80年代,锂离子电池的先驱们最初是选择金属锂作为阳极。但是锂金属阳极很快就会长出一种叫做枝晶的苔藓状晶须,它可以到达阴极并缩短电池寿命,因此电池研究人员改用碳作为阳极。

固体能源系统公司的变通方案是将纯锂箔制成超薄阳极,再涂上一层混合聚合物陶瓷电解质(这种电解质可以抑制树突生长),并将另一种电解质——锂盐糊状物涂在阴极上。

阴极上的电解质含有足够的溶剂以使锂盐在室温下传导离子。胡启超说,从技术上讲,这款设备是一种半固态电池,但比传统的锂离子电池更安全。电池的能量密度约为500瓦时/千克,是传统锂离子电池(250瓦时/千克)的两倍。缺点是它只能重复充电约200次,而传统电池的重复充电次数是1000次以上。

“很多人试图找到百分百完美的固态方案,”胡启超说,“但我们认为我们的半固体方案已经够好了。”

但其他一些实验室仍然专注于终极固态电池的愿景。去年,得克萨斯大学奥斯汀分校的约翰•古迪纳夫(John Goodenough)发布了一款固体玻璃电池。他和他的同事玛丽亚•海伦娜•布拉加(Maria Helena Braga)使用了一种掺锂玻璃材料作为电解质。他们在4月份发表于《美国化学学会期刊》的最新设计中提到,他们将一种特殊的软化剂溶液涂在柔性阴极上。

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固态电池的一个问题是,由于各种材料的膨胀和收缩速率不同,电池的接口处会破裂。布拉加说,软化剂起到了防止开裂的作用。新型电池的能量密度是传统锂离子电池的两倍,可以重复充电2.3万次。

最近,行业巨头也开始投资固态电池。本田、日产和丰田已经与松下公司合作,为电动车辆研发固态电池。但一些高调进行收购的固态技术初创公司已经黯然失色。2015年,戴森公司收购了密歇根大学的衍生公司Sakti3,计划开发一款电动车辆用蓄电池。德国巨头博世公司则收购了来自劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的固态聚合物电池创业公司Seeo。这两家公司后来都放弃了这些技术。

LBNL的科学家兼化学工程师尼塔什•巴尔萨拉(Nitash Balsara)于2007年和其他LBNL同僚共同创办了Seeo,他说制造锂金属电池不容易。“总体来说,只要它是免费的,电池行业会非常关注安全性。”他说,“我认为(这是)一个错误。开发和使用真正安全的锂电池,还有一段路要走。”

巴尔萨拉现在拥有一家新的创业公司——蓝色电流(Blue Current),它正在完善一种聚合物-陶瓷混合电解质。聚合物没有陶瓷导电性好,但陶瓷很易碎。这款混合电解质“融合了两者的优点,将更多的能量注入电池中,而且当汽车受到撞击时,它也不会破裂。”巴尔萨拉说。

纽约宾厄姆顿大学的化学教授,锂离子研究先驱M•斯坦利•惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)说,固态电池最终会有效,但现在仍然面临着工程挑战。他说:“近期,锂离子电池还是不可替代的。”并预测未来5到10年内,固体和半固体电池将小规模投入市场。他表示:“最终还是要看它们的成本是多少。”

固体能源系统公司的电池的售价合每千瓦时500美元,比传统的锂离子电池贵得多,目前锂离子电池的售价仅约为200美元。但胡启超预计,随着制造业的规模扩大,其成本将会下降,并且他正与主要的电池制造商进行谈判。

“我们还没有准备好进军电动车辆,那是我们的最终目标。”胡启超承认,“但我们已经可以满足无人机的关键性能需求,并在电动车辆蓄电池方面不断取得重大进展。” 

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