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          新電池設計將鋰離子電池成本降低

          時間:2021-06-22 11:52:07 來源:

          位于劍橋的24M總部的中試工廠已經生產了數千個測試電池,以證明新設計的效率。

          通過使用流動電池與傳統固體之間的混合動力的電池設計,工程師開發了一種新的制造方法,將鋰離子電池成本一半。

          麻省理工學院的研究人員和一家名為24M的附屬公司開發的一種先進的鋰離子電池制造方法有望顯著降低最廣泛使用類型的可充電電池的成本,同時還可以提高其性能并使其易于回收。

          麻省理工學院京瓷陶瓷教授,24M的共同創始人(以前是電池公司A123的共同創始人)蔣尚明說:“我們已經徹底改變了這一過程。”他說,自從該技術被發明以來的二十年中,制造鋰離子電池的現有工藝幾乎沒有改變,而且效率低下,其步驟和組件比實際需要的要多。

          新工藝是基于Chiang和同事們五年前提出的概念,包括POSCO材料科學與工程教授W. Craig Carter。在這種所謂的“液流電池”中,電極是由液體攜帶并泵送通過電池各個隔室的微小顆粒的懸浮液。

          新的電池設計是液流電池和常規固態電池的混合體:在這種形式中,雖然電極材料不流動,但它由類似的半固體,顆粒狀膠體懸浮液組成。Chiang和Carter將此稱為“半固態電池”。

          簡化制造過程

          Chiang表示:“這種方法極大地簡化了制造過程,還制造出了具有柔性并且耐損壞的電池,”他在《電源》雜志上發表論文的高級作者說,該論文分析了在選擇固態電池還是流式電池時需要進行的取舍,具體取決于它們的特殊應用和化學成分。

          該分析表明,流動電池系統適用于能量密度低的電池化學物質(對于給定的重量只能存儲有限量的能量的化學物質),但適用于高能量密度的設備(例如鋰離子電池) ,流程系統的額外復雜性和組件會增加不必要的額外成本。

          在發表了有關液流電池的早期研究之后,Chiang幾乎立即說:“我們意識到,利用這種可流動電極技術的更好方法是重新發明[鋰離子]制造工藝。”

          代替將液體涂料施加到一卷背襯材料上,然后必須等待該材料干燥才能移至下一個制造步驟的標準方法,新工藝使電極材料保持液態,并且不需要干燥階段。該系統使用更少,更厚的電極,將傳統電池體系結構的不同層數以及結構中無功能材料的數量減少了80%。

          以微小的懸浮顆粒而不是堅固的平板形式存在的電極,極大地減少了帶電粒子在材料中移動時的路徑長度-這種特性稱為“曲折度”。較不曲折的路徑使得可以使用較厚的電極,從而簡化了生產并降低了成本。

          橫截面圖顯示了新的24M鋰離子電池單元設計如何增加電極層的厚度并大大減少所需的層數,從而降低制造成本。

          可彎曲且可折疊

          Chiang說,除了簡化生產流程以將電池成本降低一半外,新系統還可以生產出更靈活,更具彈性的電池。傳統的鋰離子電池由易碎的電極組成,這些電極在應力作用下會破裂,而新配方可生產出可彎曲,折疊甚至被子彈穿透的電池,而不會失敗。他說,這將同時提高安全性和耐用性。

          到目前為止,該公司已經在其原型裝配線上制造了大約10,000個電池,其中大部分正在接受三個工業伙伴的測試,包括泰國的一家石油公司和日本重型設備制造商IHICorp。該工藝已獲得八項專利,并擁有75項專利。審查中的其他專利; 24M已從風險投資公司和美國能源部撥款中籌集了5,000萬美元的融資。

          該公司最初專注于電網規模的安裝,用于幫助減輕電力負荷并為產生間歇性輸出的可再生能源(例如風能和太陽能)提供備用電源。但Chiang表示,該技術還非常適合重量和體積受限的應用,例如電動汽車。

          Chiang說,這種方法的另一個優點是,使用該方法的工廠可以通過簡單地添加相同的單位來擴大規模。對于傳統的鋰離子生產,必須從一開始就大規模建造工廠,以降低單位成本,因此它們需要大得多的初始資本支出。Chiang估計,到2020年,24M電池的生產成本將低于每千瓦時100美元。

          卡內基梅隆大學機械工程學助理教授Venkat Viswanathan并未參與這項工作,他說新論文中的分析“提出了一個非常重要的問題,即何時建造液流電池比靜態模型更好。… 本文將作為做出設計選擇和不做決定的關鍵工具。”

          Viswanathan補充說,24M的新電池設計“可能會像微型鋼廠對綜合鋼廠的破壞一樣,對[鋰離子]電池制造造成同樣的破壞。”

          除Chiang之外,Power Sources論文是由研究生Brandon Hopkins,機械工程教授Alexander Slocum和伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的Kyle Smith共同撰寫的。這項工作得到了位于伊利諾伊州阿貢國家實驗室的美國能源部儲能研究中心的支持。

          出版物:基于組件 - 流量和靜態電池的比較

          圖片:禮貌24米


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