新型电池设计可减半锂电池成本

时间:2015-07-11 来源:网络 作者:佚名 收藏到我的收藏夹
简介: (位于剑桥24M总部的先进制造工厂,制造了数以千计的电池来测试新电池设计的效率。) 通过利用介于液流电池和常规固态电池直接的混合电池设计,工程师们开发了一种制造切片锂离子电池的新制

 


(位于剑桥24M总部的先进制造工厂,制造了数以千计的电池来测试新电池设计的效率。)

通过利用介于液流电池和常规固态电池直接的混合电池设计,工程师们开发了一种制造切片锂离子电池的新制造方法,而且成本仅为一半。

被称为24M的公司,是一家成立于麻省理工学院,并随后分离的公司,其开发了一种先进的制造锂离子电池的方法,并承诺可以显著削减最广泛使用的可充电电池的成本,同时也提高了自身性能,并更易于回收。

“我们彻底改造的了这一过程,”Yet-MingChiang说,他是麻省理工学院的陶瓷教授,和24M的联合创始人(以前的A123电池公司创始人之一)。他说,现有制造锂离子电池的工艺,自从该技术发明以来几乎二十年没有改变,而且很低效,与真正所需的电池制造相比,其具有更多的生产步骤和组件。

新工艺基于五年前Chiang和他的同事开发的一项概念,包括W. Craig Carter,材料科学与工程的POSCO教授。这种所谓的“流动电池”的电极是通过在电池的各个隔室通过液体,携带并泵送细小颗粒的悬浮液而工作。

新的电池设计是介于液流电池和常规固体之间的混合设计:在这个版本中,电极材料不流动,它是由一个类似的半固体,颗粒的胶体悬浮液组成。Chiang和Carter称此为一个“半固体电池”。


更简单的制造过程

Chiang说道,这种做法极大地简化了制造,也使得电池柔性和耐破损,他是发表在《Journal of Power Sources》杂志上讨论分析涉及固体和流量型电池之间进行选择的权衡的这篇论文的主要作者,他说道,这主要决定于其特定的应用和化学成分。

这种分析表明,尽管流电池系统是适合于具有低能量密度的电池化学(那些对于特定重量只能存储有限的能量),对于高能量密度的设备,如锂离子电池中,额外流动系统的复杂性和组件会增加不必要的额外成本。

几乎在发布液流电池早期研究后的同时,Chiang说,“我们意识到,有一个更好的方式可以来利用这种流动性电极技术重塑[锂离子]制造工艺。”

传统方法使用涂布液态涂料到背衬材料卷,然后等待该材料干燥,才可以移动到下一个制造工序的标准方法,相比而言新的处理方法使电极材料处于液体状态,并且不需要干燥阶段。使用更少的、更厚的电极,该系统减少了不同层的常规电池体系结构的数目,以及80%的非功能性结构的材料使用量。

使用具有微小的浮游粒子的电极,来代替合并板坯形式的电极,大大降低了带电粒子传递的路径,因为他们移动通过该材料,这种称为 “扭曲”的属性。一个不太弯曲的路径使得能够使用更厚的电极,这些反过来,简化了生产和降低成本。


(图示为24M公司的新型锂电池设计的截面图,增加了电极层厚,并大大降低电极层数以减少制造成本。)


可弯曲可折叠的电池

除了精简制造来削减一半的电池制造成本,Chiang说,新系统产生的电池更加柔性而有弹性。传统的锂离子电池是由易碎的电极组成,在压力下会破裂,新配方的生产,可弯曲,折叠,甚至穿透子弹电池也不会失效。这可以同时提高安全性和耐用性,他说。

该公司成立至今已经在其原型生产线上生产了1万个电池,绝大部分都正在三个行业合作伙伴那里进行测试,其中包括一家泰国石油公司,和日本的重型设备制造商IHI公司。这一电池生产制造的过程中已获得8项专利,并有75个正在审查的专利;24M已经筹集了5000万美元来自风险投资公司和能源补助金的美国能源部资金资助。

该公司最初专注于电网规模的装置生产,用来帮助理顺电力负荷和可再生能源产生间歇输出,例如为风能和太阳能提供储能备份。但Chiang说,这项技术也非常适合于应用的重量和体积很有限的场合,如在电动车。

这种方法的另一个优点是,Chiang说,使用该方法的工厂可以通过简单地添加相同的材料,按比例扩大生产。而传统的锂离子电池生产,工厂必须开始就大规模建造,以保持降低单位生产成本,所以他们需要更大的初始资本支出。到2020年,Chiang估计,24M将能够生产每千瓦时容量成本不到100美元的电池。

来自卡内基梅隆大学机械工程系的,并无参加该项工作的助理教授VenkatViswanathan说,在“addresses a very important question of when is it better to build aflow battery versus a static model”这篇文章中呈现的分析表明,该文章将作为制作设计选择和做出决策的重要工具。”

Viswanathan补充说,24M公司的新电池设计,“可以对[锂离子]电池制造行业做出的扰乱和影响,类似与小型钢铁厂对综合钢厂的影响

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