新型锂离子电池容量翻番


  通用汽车已经着手做这种类型的电池材料,目的是把它用于下一代雪佛兰伏特和其它电池驱动的汽车。它有已授权的电池电极材料,开发者是阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory),这是美国能源部的一个实验室。这些材料就是所谓的混合金属氧化物,可以提高汽车电池安全性和耐久性,并有助于加倍提高能量存储容量,可能带来大量的费用节约,因为可以让通用汽车公司使用较小的电池组。

  成本是最大的问题,对于这一波电池驱动的车辆而言就是这样,这些车辆开始上市是在上个月。通用汽车的伏特是一款电动汽车,每次充电的可行驶35英里,它还有一个汽油发电机,可供更长的行程,这款车费用超过类似尺寸的传统汽车的两倍多,很大一部分原因就是电池。提高电池存储能量就使汽车制造商可使用更小的电池组,从而降低成本。

  “这一整体理念就是提高能源密度,这就是难能可贵的,谈到这类车辆时就是这样,”乔恩·劳克纳(Jon Lauckner)说,他是通用汽车公司投资公司总裁,这公司是通用汽车公司的风险投资部门。他表示,目前还不清楚这项新技术能省多少钱,但是“可以肯定地说,会是很可观的,它不会是一位数的百分比。”

  目前,这种型号的伏特汽车使用锂离子电池,这种电池的制备采用锂锰尖晶石阴极(lithium-manganese spinel),“尖晶石”( spinel)指的是材料中三维排列的原子。阿贡实验室专利是通用汽车已授权的,它包括的阴极材料成分是锂,镍(nickel),锰(manganese),钴(cobalt)。这种材料具有活性成分,通过这些成分,锂离子在电池充电或放电时就可以运动,这种材料也具有不活跃的成分,这有助于稳定活性物质,延长电池寿命。长久耐用对于电动汽车电池而言是必不可少的,这种电池根据设计可以持续使用十年,而且必须能够承受道路上的恶劣条件。这种新材料具有高能量密度,因为它的运行可以使用更高的电压,超过目前的电极材料,也可储存更多的锂离子。

  这些专利涵盖了一系列镍锰钴材料,包括一些新的变种,都是通用汽车公司和阿贡国家实验室正在开发的,也包括目前伏特电池电极的一些成分,生产者是LG化学公司(LG Chem),是韩国的一家制造商。该公司已经能够使用这些资料,因为阿贡国家实验室的专利只适用于美国。但现在LG化学公司正在密歇根州(Michigan)建立一家电池生产厂,所以必须取得阿贡的知识产权许可证,以用于在那里制造的产品。夏普等其他公司也在商业化运作镍锰钴电极的电池,但所属类型不包括在阿贡专利之内。

  为了提高未来电池的存储容量,通用汽车公司和阿贡国家实验室(独立运营)正在改进镍锰钴材料,是以几种方法改进的,杰夫·钱伯莱(Jeff Chamberlain)说,他是阿贡实验室电池项目经理。

  首先,他们正在改变三种金属的相对比例,以创造一种材料,为的是储存更多的锂离子。其次,他们“激活”一些非活跃的成分,释放锂,使它脱离非活跃材料,以便可以在阴极和阳极之间移动。一旦锂离子获得自由,它们的运动就只是进出活性物质,而非活跃物质就继续发挥稳定作用。

  还有许多工作要做,之后这些材料才可用于汽车。“这件事情只是在反应容器中制备粉末,就在这里的阿贡实验室进行;非常不同的事情是要制备电池组,”钱伯莱说。“有很多创新都是工程方面的,就是为了把这些材料转化为电池。”

  加倍提高阴极能量密度,不会加倍提高能量总额,就是电池组作为一个整体可存储的能量总额。阳极存储容量必须保持同步,电解质必须改进,以便可以工作在更高的电压。此外,所有这三个主要的电池组件都必须设计为可以很好地协同工作,举例而言,这是为了减少不必要的化学反应。一旦工程师成功地把电极和电解质集成到正常运行的电池中,就需要更多的工程,来把这些电池纳入电池组。

  这种新材料的稳定性提出了一种方法,可以在电池组层面提高能量密度,钱伯莱说。目前,伏特电池组的设计具有额外的能量存储容量,以确保汽车性能不会受太大影响,因为电池会老化。他说,如果未来电池可持续使用,不需要额外的容量,那这就会降低电池组成本。

  “这可能是最高性能的阴极材料,我们在那里看到的就是这样,而且,就是因为这样,我们认为,真正关键的是我们现在就要开始研究这种材料,这样我们就能使它上路,”劳克纳说。 “这将需花数年时间来进一步开发,并进行验证。这个想法是我们想要使它上路,就用于下一代电池组,这种电池组已经推出。”

  其他几家公司正合作研究美国阿贡实验室的技术,其中之一是恩维亚公司(Envia),这家公司正与美国阿贡实验室合作,结合先进的镍锰钴电极材料与先进的硅阳极材料。这一项目资金来自美国能源部高级研究计划局(Advanced Research Projects Agency)能源处,计划生产的电池将能存储三倍多的能量,这是对比今天的锂离子汽车电池而言。