麻省理工學院研究的「半固態鋰液流電池」，究竟是什麼？

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專業鄉民

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kenny wang2015-7-5 00:27

日前，有新聞稱美國麻省理工學院的研究人員與一家名為 24M 的衍生公司合作，日前開發出一種製造鋰離子電池的先進工藝：半固態鋰液流電池，不僅有望顯著降低生產成本，還能提高電池性能，使其更易於回收。
這裡有必要介紹一下 24M 公司的創始人，他是麻省理工學院教授、A123 電池公司前創始人之一蔣業明。其中，通用汽車的插電混合動力汽車雪佛蘭沃藍達、上海汽車的榮威 550 插電版都是用 A123 公司的電池。蔣業明這個名字在電池界很知名，他除了搞磷酸鐵鋰電池（比亞迪電動車用的就是磷酸鐵鋰電池）以外，還與同事於 5 年前提出了「半固態液流電池」的概念，這些年他一直在做商用的努力。蔣業明是台灣人，美國工程院院士、台灣中央研究院院士、麻省理工學院材料系教授，研究過用鋁、鈮、鋯等三種金屬做正極的超級鋰電池。在全球材料科學家中排名 66 位。算是電池行業的世界頂級專家。先說說「液流電池」是什麼東西我們目前用的絕大部分電池都來自於一個古老的模型——西元 1800 年的原電池。這個東西的原理就是有正極、有負極、有電解液，然後電子流動就有了電。家裡的花生、檸檬、蘋果，插上一個銅片、一個鋅片就可以帶動電子鐘，就是這個原理。最近 300 年來，人們不斷尋找正極和負極材料，提升能量密度，無論是乾電池、鎳鎘電池還是流行的鋰電池，都是材料的升級。原理和家裡 DIY 的花生電池、蘋果電池是完全一樣的。無論材料怎麼升級，傳統的電池對活性物質的利用率很低，能夠產生電能的物質被包裹在必須的非活性物質之中。在我們常見的鋰電池裡面，鋰材料只含電池重量的 2% 左右，這些非活性物質增加了電池成本，還降低了活性物質的利用率。因為傳統電池的這些弱點，人們發明了液流電池。液流電池可以視為一個獨立的大電池，正負極電解液分別存放，集中反應產生電能。這樣無需昂貴的附加材料，可以大大提升效率。液流電池的工作原理其實，液流電池並非那麼完美既然液流電池這麼好，效率這麼高，為什麼還沒有被廣泛採用呢？這是因為液流電池不僅僅有優點，它的缺點也很多。目前液流電池的濃度有限制，雖然理論上效率比傳統電池要高，但是溶液濃度低、能量密度和功率密度並沒有優勢，價格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上裝溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加裝置，液流電池整個系統綜合算下來效能就更差。所以，蔣業明開發出來了半固態鋰液流電池。這種液流電池不用溶液，用細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因為這種泥漿的能量密度可以做的比溶液高，於是液流電池的大容量優勢就有了，在蔣業明在麻省理工寫論文的時候，他的半固態液流電池的能量已經可以達到 500WH/L 了。這種電池的原理其實很簡單。電極是細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束泥漿流，一束帶正電，一束帶負電，兩束泥漿都通過鋁集電器和銅集電器，兩個集電器之間有一個能透水的膜。當兩束泥漿通過膜時，會交換鋰離子，導致電流在外部流動。為了重新給電池充電，只需要施加電壓讓離子後退穿過膜即可。半固態鋰液流電池這樣，它的正極負極的材料利用率比傳統電池高的多，只要一層膜就夠了，用的各種材料也比傳統電池便宜的多。而且，半固態鋰液流電池可以做成柔性的（你可以想像成塑膠袋包著兩團泥漿），電池不僅可彎曲、折疊，即使被子彈穿過也不會受損，安全性耐用性都有很大的優勢。電池革命真的來了？理論上，蔣業明的這種電池能量密度更高，價格更低（據他估計，到 2020 年，每千瓦時容量的成本將降至 100 美元以下，而目前中國產的最便宜的動力鋰電池也得 300 美元以上），更安全，具有美好的前景。但是，這種東西的原理和結構與現在的電池完全不同，生產線設計、品質控制、測試標準、量產工藝這些東西都得從頭摸索。現在的電池生產線不能用。於是，這些年蔣業明的 24M 公司就一直在做從實驗室到量產的事情，要解決新結構電池量產中遇到的各種問題。一開始，蔣和他的幾個同事用純手動模式試棗，然後逐漸形成了一條手工的生產線。熟能生巧，到後來，他們手動生產一塊手機電池大小的單元只需 6 分鐘。經過摸索，團隊對生產工藝反覆改進，最終打造出了一個工業化的生產平台，讓電池的能量密度和生產速度都發生了質的變化。投資人對 24M 取得的進展非常滿意，給了24M 高達 5,450 萬美元的融資。而 24M 公司已經在原型生產線上製造了大約 10,000 塊這樣的電池，其中大部分正在接受 3 個工業合作夥伴的測試，包括泰國的一家石油公司和日本重型設備製造商 IHI 株式會社。新工藝已獲得 8 項專利，另有 75 項專利正在接受評審。下一步，蔣業明準備啟動第三輪融資，新的資金將用於研發一種機器，能在 2-10 秒內產出一個電芯。這說明，半固態液流電池已經到了大規模測試階段了，這個階段過了就是大規模量產了，這是非常令人激動的。在電池歷史上，這個成就是可以與當年 Sony 發明鋰離子電池相提並論的。不過，液流電池的成本優勢、安全優勢、容量優勢，在我們日常使用的手機、平板上並不突出。因為這些設備用的電池太小，成本太低。幾千元的手機，電池成本是 10 元還是 20 元影響不大，而新的電池還需要做各種測試，重新設計電池倉，得不償失。而這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車與家庭儲能的絕配。特斯拉汽車如果用這種電池，價格立即就能變得平易近人，而且續航里程也會更長。用到特斯拉的家庭儲能設備上，價格也會立即下降，而且這種電池更安全，不怕普通的碰撞，這對電動車的安全性很有好處。電池革命這次也許真的來了，也許只要 3-5 年，我們的世界就會完全不同。看來電池的研發會一直持續下去。