寶馬福特1.3億美元押寶的鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-05-10
【概要描述】日前福特宣布在2025年前將投資220億美元用于電動車技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)，而Solid Power公司則是它押寶的鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)。
5月3號，寶馬和福特汽車公司宣布聯(lián)合投資1.3億美元到固態(tài)鋰電池公司SolidPower，押寶未來的電動車固態(tài)電池技術(shù)，從而將Solid Power這家創(chuàng)業(yè)公司推上前臺。
寶馬稱其目標是在2030年前實現(xiàn)電動車量產(chǎn)，而福特公司則在日前發(fā)布財報時宣布在2025年前將投資220億美元用于研發(fā)生產(chǎn)電動車產(chǎn)品。去年末上市的加州QuantumScape固態(tài)鋰電池公司是由大眾汽車押寶投資的初創(chuàng)企業(yè)，大眾公司已先后投入超過2億美元在這家公司上。而上個月通用汽車宣布投資1.39億美元在波士頓地區(qū)的固態(tài)鋰電池公司SolidEnergy Systems，同時宣布在2025年前將總計投資270億美元用于電動汽車的研發(fā)生產(chǎn)。至此，這幾家大型的歐美汽車制造商似乎都已有押寶的固態(tài)鋰電池公司，我們將逐步為你分析這幾家固態(tài)鋰電池公司的技術(shù)特點。
Solid Power公司于2011年在美國科羅拉多州成立。但是在成立初始的幾年里默默無聞，連公開的融資消息都沒有一丁半點。直到2017年，公司才拿到最早期的天使輪投資350萬美元，接著在2018和2020獲得了兩次A輪融資總計4800萬美元。然后就是突然在這個月宣布獲得1.3億美元的B輪融資，一舉成為固態(tài)鋰電池行業(yè)里的明星公司。據(jù)新聞報道，Solid Power公司現(xiàn)在已有能力生產(chǎn)20Ah的多層電池塊，而利用最新獲得的B輪融資，公司將爭取在2022年實現(xiàn)100Ah的電池塊生產(chǎn)，為寶馬和福特公司的電動車電池測試提供驗證產(chǎn)品。
由于此前關(guān)于Solid Power公司的新聞報道很少提及其技術(shù)特點，因此我們對該公司申請的專利進行了搜索，找到了3篇比較關(guān)鍵的技術(shù)專利。第一篇專利著重于該公司的固態(tài)鋰電池的組裝方式，在總體電池設計上與常規(guī)的鋰金屬固態(tài)電池大同小異，不過里面提到的幾個小技術(shù)細節(jié)可能是該公司的一些創(chuàng)新。比如在粘接劑材料方面，他們提到了可自愈（Self-healing）高分子材料，這類材料在電極材料表面形成保護膜后，如果被晶枝扎破，有能力自愈恢復成膜，從而保護電極材料不與其他活性成分反應消耗。在固態(tài)電解質(zhì)方面，他們提到可加入鹵素元素，幫助在鋰金屬與正極活性材料之間形成穩(wěn)定、高離子電導率的界面層，以提高電池整體的性能。
第二篇關(guān)鍵專利側(cè)重于固態(tài)電解質(zhì)材料。目前含有鋰鍺磷硅元素的LGPS固態(tài)電解質(zhì)是用于鋰金屬電池的最好電解質(zhì)，它在常溫下的鋰離子電導率可以達到12mS/cm，是常用陶瓷電解質(zhì)的10倍以上。然而，這種材料的一個缺陷是它的電化學穩(wěn)定窗口很小，只有在相對于Li/Li+反應的2.1V到2.4V之間比較穩(wěn)定，而超出這個運行窗口時該材料會生成離子電導率極低的產(chǎn)物，從而大大降低電池的運行性能。而SolidPower在這一專利里提出了基于鋰-硼-硫元素的固態(tài)電解質(zhì)LiBS，根據(jù)理論計算該固態(tài)電解質(zhì)的熱力學穩(wěn)定窗口在相對于Li/Li+反應的1.6V到2.2V之間，其窗口比LGPS電解質(zhì)擴大了一倍。而在1.0~1.6V與2.2~3.8V之間，雖然熱力學上該電解質(zhì)不穩(wěn)定，但是在動力學上仍可維持一定的穩(wěn)定性，因此可極大提高固態(tài)電池的運行窗口與性能。同時，該電解質(zhì)的鋰離子電導率可能達到LGPS電解質(zhì)的兩倍以上。另一方面，該電解質(zhì)因為使用的元素價格較低，其各成分成本為鋰$20/kg，硼$5/kg，硫$1/kg，因而其電解質(zhì)成本可以低至10微米厚度價格為每平方米$0.05，將大大降低固態(tài)電池的總成本。
雖然理論是美好的，但是現(xiàn)實還是比較艱難。Solid Power在這項專利里展示了實際測試的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示LiBS電解質(zhì)系統(tǒng)的離子電導率尚遠遠低于理論數(shù)值。據(jù)此推測，Solid Power在后續(xù)的工作中會大力加強固態(tài)電解質(zhì)的性能研究，已實現(xiàn)其理論性能高度。
Solid Power的第三篇關(guān)鍵專利是關(guān)于粘接劑材料，著重于基于鋰-聚硫的材料。專利聲稱該類材料可解決常規(guī)粘接劑材料在制備過程中與溶劑或其他活性材料不相容的情況，從而大大提高成品電池的穩(wěn)定性，也降低制備工藝的成本。由于專利里并未涉及太多的技術(shù)參數(shù)，因此我們也就不再做過多贅述。
綜上所述，Solid Power公司的發(fā)力重點似乎是在固體電解質(zhì)與粘接劑材料方面，他們希望通過完善這兩種成分來提高固態(tài)電池的性能，似乎對于鋰金屬負極中可能存在的一系列問題并沒有做太多的解讀。如果與鋰金屬負極相關(guān)的一些問題沒有得到妥善解決，那么電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性就會大打折扣，因此我們期待能在將來看到更多SolidPower電池的循環(huán)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，將有助于我們了解其固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展程度。
**文章僅供交流用，因該公眾號無法開通留言功能，如有問題或建議請向公眾號發(fā)送消息，我們會盡快回復，多謝！掃描以下二維碼關(guān)注中和儲能公眾號。
參考文獻：
1. 美國專利申請?zhí)?/span>US20210126281，Solidelectrolyte material and solid-state battery made therewith
2. 國際專利申請?zhí)?/span>WO2019051305，Ceramicmaterial with high lithium ion conductivity and high electrochemical stabilityfor use as solid-state electrolyte and electrode additive
3. 美國專利申請?zhí)?/span>US20180083303，Binderand slurry compositions and solid state batteries made therewith
相關(guān)文章：
技術(shù)起底QuantumScape的鋰金屬固態(tài)電池熱潮
石墨烯如何助力固態(tài)鋰金屬電池，多種創(chuàng)新方案可供選擇
北京發(fā)生儲能爆炸事故，如何用技術(shù)消除隱患？
作者簡介：
謝偉博士，清華大學材料學學士和碩士，美國德克薩斯大學（奧斯?。┗瘜W工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎。在材料學及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
中和儲能公司簡介：
深圳市中和儲能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應用儲能技術(shù)，旨在通過電化學儲能技術(shù)的應用助力于實現(xiàn)中國“碳中和”的目標。發(fā)展初期，公司專注利用在儲能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗及杰出的研發(fā)能力向中國儲能市場提供技術(shù)支持與咨詢服務。同時，公司著重于對中國儲能市場進行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進、最有效的儲能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國內(nèi)業(yè)務：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術(shù)合作、學術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導。