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落后于亞洲,為此,在政府和產業界的支持下,歐洲正在奮起直追。

文︱立厷

圖︱網絡

2020年十月,初創公司Lavle稱它正在建造一座超級廠,將于2023年底前在美國大規模生產下一代電池模塊,最終產量約為每年7GWh。據稱,下一代技術將徹底改變特種、航運、鐵路、特種和石油天然氣等行業的面貌。電池驅動的飛機、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鋰離子技術兩倍的先進鋰金屬(lithium-metal)電池的大規模生產。

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落后于亞洲,為此,在政府和產業界的支持下,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中心,并計劃在格林海德市建設一家超級廠,方法已獲德國聯邦經濟和能源部批準。該廠將生產新型4680電池,能量密度較現有型號提升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1MWh儲能系統。據稱它將是歐洲第一家生產商用電池儲能系統的超級廠,年產量超過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,法國電池生產商Verkor宣布,將于2023年在法國開通運營一家年產量為16GWh的鋰離子電池生產廠,并根據市場發展再將其年產量擴大至50GWh。該公司生產的電池將用于電動汽車(EV)和固定式儲能領域。

Northvolt聯合創始人兼首席執行官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量電池,歐洲必須建立一個完全區域化的價值鏈來支持他們。”

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,據悉,為這座150萬平方英尺(14公頃)的設施供應的數百萬美元資金已經“基本到位”。Lavle首席技術官BenGully博士解釋說,將鋰離子技術的能量密度提高一倍將創造大量的機會。此前,他曾在DNV-GL的海事咨詢小組中領導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。

據介紹,Lavle正在為其大型鋰金屬電池(LMB)和固體電解質電池(SEB)儲能系統設計和準備原型儲能系統,該系統利用日本3DOM開發和供應的電池。

使用鋰金屬作為電池負極被稱為電池技術的“圣杯”,它供應的好處遠遠超過了單獨使用固體電解質,且出現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在3DOM和Lavle實驗室中運行。

這些電池采用3DOM的隔膜技術,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技術已經在全尺寸大容量電池中實現了420Wh/kg的能量密度,是傳統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℃環境溫度供應廣泛商業應用所必需的安全特性。

Gully解釋說:“假如你有一輛續航里程為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航里程600英里的電動汽車。或者假如你只要300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。可以想象,能量密度開辟了我們現在甚至無法想象的全新應用和電池用例。”

他表示,一旦供應鏈建立,電池規模化生產,其鋰金屬電池將能夠實現每千瓦時與傳統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域。“在其他市場,能量密度的好處是改變游戲規則,開發出可行的產品和系統,沒有它則萬萬不可能,”Gully補充說。

新興應用呼之欲出

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。”

另一種可能性是電動特種。他補充說:在歐州“絕大多數航班的飛行時間都不到30分鐘,因此關于這樣航班,鋰金屬電池有大量應用。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。”理論上,這將允許從倫敦飛往布拉格(1033公里)的商業航班使用可再生能源電池。

據悉,這種高能量密度電池已經引起了特種工業的注意,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“以研究為導向的特種組織”進行討論,不過,可以理解的是:拒絕供應細節。

類似的機會也已在鐵路、石油和天然氣行業以及新興電動卡車領域出現。混合動力和全電池電力推進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、護衛艦、驅逐艦、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鋰離子電池的缺點之一是可能著火,這關于部署在飛機、輪船、火車和石油鉆塔上是一個潛在的危險。

2019年,一年內韓國風能和太陽能發電廠發生23起電池儲能系統(ESS)火災,涉及LGChem和SamsungSDI等供應商,長達數月的調查后,韓國工業部的結論是:電池保護不足、操作環境不合適、安裝錯誤和系統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,火災就摧毀了北美最大的夏威夷風能儲存系統,一場大火燒毀了一個15MW電池組。

Lavle已經專注于防范此類事件的技術,這絕非巧合。Gully說:“我們所供應和開發的安全性水平是系統的固有特性,在行業內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。”

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。假如其中一節因為(電池驅動)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,它可能是一種任務關鍵性的東西,或與士兵的安全有關。”

眾所周知,電池的強度取決于鏈條中最薄弱的環節,而Lavle的先進電池管理系統(BMS)具有“貫穿整個ESS的雙冗余設計,可確保系統中任何地方的單個組件故障都不會導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經驗證設計,安全功能包括:

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

每個電池上都有雙重冗余電壓感應,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,包括雙氣體釋放閥和每個模塊內的排氣檢測,以及全柜通風管理,業界無人供應;

高精度動態荷電狀態(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確保最大可用容量利用率,提高系統壽命和可靠性;

高度安全的遠程監控和基于云的數據服務允許電池系統供應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,便于清潔安裝。

鋰金屬電池技術的由來

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

根據Gully解釋,3DOM的下一代專利技術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的石墨負極。

他承認,其他公司也在實驗室研發類似的電池,但3DOM和Lavle在競爭中遙遙領先。他表示:“要讓它發揮用途,關鍵是系統的其余部分,還有電池的設計、電解質等——讓所有這些東西一起工作是一個挑戰,”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開發公司,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,直徑為數百納米。由于孔洞的大小一致,排列有序,因而離子統一流動,化學反應均勻,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技術發展組織(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)現象,即由于化學反應不平衡,在負極表面生長出的柱狀結晶。

早在2012年二月,由東京都立大學城市環境科學研究生院應用化學系的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很多。然而,由于鋰離子電池的低循環性和安全性問題,使得鋰離子電池一直沒有得到實際應用(現在已實際應用,但安全仍存在問題),這與鋰離子電池在充放電循環中沉積的形態有關。特別是鋰金屬的枝晶形態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,必須控制和穩定鋰金屬的表面狀態。在之前的工作中,我們發現使用具有三維有序大孔(3DOM)結構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%,是常規聚丙烯(PP)隔膜孔隙率的兩倍。此外,3DOM隔膜內孔隙的大小和分布非常均勻。這種優越的結構特性實現了鋰金屬負極的實際應用,有望用于常規電極材料,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構優勢。

3DOM隔膜的三維有序大孔結構

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了整體均勻的化學反應。

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。另一種是全電芯結構的鋰金屬/3DOM隔膜/LiNi0．8Co0．15Al0．05O2(NCA)復合材料。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復合材料聚偏氟乙烯(PVDF)。NCA復合材料的厚度約為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,作為電解質溶液。

結果表明,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,這一結果清楚地表明了3DOM隔膜的優越性。

3DOM隔膜的優越倍率性能

結論是:由規則結構實現的均勻電流分布抑制了枝晶的出現,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新的專有隔膜技術——Kanamura教授(3DOM董事兼首席技術官)的研究成果。

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

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業務已有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部總經理等要職;參與了行業首款大功率相機用鋰原電池的開發和量產項目,以及為特斯拉供應電池的廠啟動。

在新業務的感召下,原本只有Kanamura教授一人的公司吸引了許多大公司的工程師,現在,其工程師已有70余名。

3DOM重要從事隔膜的研究和開發,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的旗艦產品之一,其隔膜在熱穩定性和化學穩定性方面都獲得了很高的評價。均勻的孔結構可防止不均勻的電力反應,有助于抑制枝晶沉淀,并供應均勻的離子流,防止因短路和著火而過熱,最終實現電池性能和可靠性的顯著提高。

采用3DOM規模的的BESS系統供應了比傳統系統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,包括采礦設施、特種基地、化廠、碾米廠、機場以及石油和天然氣設施。先進的鋰離子電池技術,長期供應價格合理、穩定的電價。

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

加速下一代電池產量布局

六年內,3DOM成立(含收購)了6家子公司,除了利用最先進的電池技術供應電氣化整體解決方法,推動油氣船舶和機械的電氣化,為特種工業供應新型電池之外,還希望引入與下一代交通基礎設施電氣化相關的服務,包括:電動汽車租賃業務、無人機及其他飛行器空中出行解決方法、區塊鏈應用研究和開發,以及物聯網、人工智能等其他技術的集成。

3DOM及重要子公司

3DOM研究、開發和設計下一代電池的目標是為任何地方、任何人供應電力,在全球范圍內部署使用這些技術的公司,解決能源問題,建立可持續發展的社會。

通過在電池制造、再利用和再循環方面的創新,以及跨特種航天、航海、移動和存儲領域應用的開發和部署,3DOM正在數字化改變電池生命周期,為能源、人和物的流動供應社交平臺,實現“電池即服務”的創新商業模式。

3DOM的使命

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

2020年十一月,3DOM新加坡公司與CosmosGlobal簽署協議成立合資公司,在孟加拉國建立一家電動汽車裝配廠,包括租賃電動汽車,供應即時用車服務,幫助孟加拉國實現用電動汽車取代內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工業城項目的屋頂太陽能解決方法與電池儲能系統供應電池產品。

未來計劃

3DOM電池技術和3DOM商業模式的優勢在于高度適用于電氣化發展迅速的出行市場,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)創造計算機大腦時代進入DI(數字智能)的數字化時代。通過基于個體體驗的深刻理解,以及對條件和情境的數字化把握,我們的電池將把人與人、人與機器聯系起來。”

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,努力關閉化石燃料時代的帷幕,為保護和恢復全球環境作出貢獻。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的下一代服務,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。通過數字智能和電氣化技術,將幫助我們創造與自然和諧的美好未來。”