美國Sakti3電池公司研發(fā)新型固態(tài)鋰離子電池

賈旭平

Sakti3公司成立于2008年，由密西根大學(xué)前工程教授Ann Marie Sastry成立。Sakti指梵語的“電力”，3指鋰的原子數(shù)。Sakti3公司研發(fā)的固態(tài)鋰離子電池的能量密度約為當(dāng)前鋰離子電池的兩倍。這種固態(tài)電池采用薄膜沉積技術(shù)來生產(chǎn)，而薄膜沉積技術(shù)是用于生產(chǎn)平板顯示器和光伏太陽電池的技術(shù)。固態(tài)電池內(nèi)部沒有液體電解質(zhì)，取而代之的是一種“夾層”裝置，這種“夾層”既能充當(dāng)隔膜，阻止正負(fù)電極的接觸反應(yīng)；又能充當(dāng)電解質(zhì)，保證離子間的正常傳輸。

對于汽車制造商而言，Sakti3公司研制的電池?zé)o疑是一個令人振奮的消息。根據(jù)汽車研究公司Edmunds的統(tǒng)計資料顯示，電動汽車、混合動力車和插入式混合動力車2014年在新車中的銷售份額僅達(dá)到3.6%，而這一數(shù)字在2013年是3.7%。換句話說，電動汽車的銷售在其他銷售火熱的汽車市場中已稍顯停滯。對于電動汽車而言，目前最大的問題就是行駛里程，誰也不愿意面對開到中途汽車沒電的狀況。這也是為什么Telsa創(chuàng)建者和CEO Elon Musk為什么在2014年9月初宣布要建立投資額為50億美元的電池工廠，如果電池廠投產(chǎn)成功后，每年可為500 000輛電動汽車提供電池(Tesla計劃每年銷售35 000輛電動汽車)。Musk投資電池廠的目的也是為了降低電池組的成本，這樣就能為具有足夠行駛里程的電動汽車創(chuàng)建規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

Musk在傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)上做了一個大賭注。不過，他的想法也可能是正確的，但是也同樣面臨著風(fēng)險。因為其他電池技術(shù)有可能比他目前正采用的技術(shù)更成功。這就是Sakti3公司的新技術(shù)：新型固態(tài)電池。Tesla的電池是由松下公司制造的，每千瓦時的成本目前大概是500美元。Frost&Sullivan研究公司能源與電力系統(tǒng)研究經(jīng)理Vishal Sapru認(rèn)為Tesla最多能在2020年將電池成本降至每千瓦時250美元。而Sakti3公司宣稱其電池成本可達(dá)到每千瓦時100美元。

Sakti3公司自成立以來一直致力于技術(shù)研究，擁有包括通用汽車公司投資的320萬美元在內(nèi)的3 000萬美元的風(fēng)險投資。根據(jù)美國科學(xué)人雜志的消息，Sakti3公司聯(lián)合創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官Ann Marie Sastry稱，經(jīng)過潛心研究，他們設(shè)計的固態(tài)鋰離子電池能量密度達(dá)到1 143 Wh/L，這樣的電池性能不僅能夠大幅提升電動汽車單次充電的行駛里程，還可以幫助降低電動汽車的價格。而且電池具有可擴(kuò)展性，因此可生產(chǎn)大容量電池。

在電動汽車行業(yè)中，“最神圣”的數(shù)字就是300英里和100美元。300英里指的是，汽車單次充電后可以行駛的距離，美國人非?？粗剡@一點；100美元指的是，電動汽車電池每千瓦時的成本，只有這樣，電動汽車的價格才有可能與燃油汽車競爭。Ann Marie Sastry博士稱：“我們的目標(biāo)是大規(guī)模生產(chǎn)100美元/kWh的電池。我們已經(jīng)發(fā)布了關(guān)鍵的專利技術(shù)并加快進(jìn)程繼續(xù)開發(fā)研究?！盨akti3公司還稱，他們很快就能將這兩個數(shù)字變成現(xiàn)實。近幾年，這家新興公司時常成為業(yè)內(nèi)人士議論的主題。但對外界而言，該公司總是半遮半掩，他們會面對媒體，卻對自己的技術(shù)只有只言片語。如果實現(xiàn)了這一目標(biāo)，公司將為特斯拉ModelS電動汽車制造60 kWh的電池，售價僅為6 000美元。該公司最初針對消費電子產(chǎn)品市場，如果一切順利，消費電子之后就是電動汽車電池。公司表示，配備Sakti3電池的ModelS電動汽車行程將從256英里提升到480英里。

對于這樣一款高新技術(shù)產(chǎn)品我們該持怎樣的態(tài)度呢？當(dāng)然這類先進(jìn)技術(shù)對電動汽車的發(fā)展有著非常積極的作用，能量密度仿佛電動汽車的“圣杯”一樣，起到非常重要的作用，因為現(xiàn)在絕大多數(shù)消費者還是不信賴電動汽車的續(xù)航能力，高密度電池有助于消除人們的后顧之憂。在一個有限空間內(nèi)儲存的電能越多，車輛能夠利用的能量也就越多，道路上的行駛距離自然就越遠(yuǎn)。

較高的能量密度還有一個好處，就是節(jié)約成本。如果電動汽車單次充電行駛里程達(dá)到300英里，幾乎所有的駕駛者都會滿意這樣的數(shù)據(jù)。因此儲存相同的能量，高密度電池組無需傳統(tǒng)電池那么大的體積，節(jié)省了材料，每輛電動汽車成本下降也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?。無論尺寸是大是小，電池組在加工流程中都有著固定成本，Sakti3公司研發(fā)人員正盡全力縮減每千瓦時電池組的成本。

Sakti3公司制造鋰電池的固態(tài)技術(shù)與生產(chǎn)平板顯示器和光伏太陽電池的薄膜技術(shù)是一樣的

Sakti3固態(tài)電池利用與生產(chǎn)平板顯示器和光伏太陽電池相似的薄膜沉積工藝制造，固態(tài)意味著電池中不含有液態(tài)電解質(zhì)，每一層電池材料不僅分成正負(fù)兩極，還要充當(dāng)電解液的角色，以實現(xiàn)電子的有向運動。至于分離的電池材料層之間使用的化學(xué)物質(zhì)，現(xiàn)在還屬于商業(yè)機(jī)密。不過有人認(rèn)為這種化學(xué)物質(zhì)由鋰超離子導(dǎo)體（一種含有鋰、硫、鍺和磷的固態(tài)陶瓷材料）制成，它替代當(dāng)前的液態(tài)電解質(zhì)后不僅能節(jié)省空間還能降低質(zhì)量。自動化的制造工藝在降低成本的同時，還能大大降低因不適當(dāng)?shù)某潆娀蚺鲎苍斐傻幕瘜W(xué)熔化的可能性。

目前還沒有很多關(guān)于Sakti3固態(tài)鋰離子電池的信息，消費者們也不要對該創(chuàng)新產(chǎn)品過于樂觀。此新型電池至今還沒在實驗室之外進(jìn)行過測試，也沒有任何消息顯示該產(chǎn)品的能量密度是獨立查證的，絕大多數(shù)技術(shù)細(xì)節(jié)始終不被人所知。但是可以肯定，Sakti3公司已經(jīng)引起了通用汽車公司的關(guān)注；通用對類似技術(shù)研究了很多年，其下風(fēng)險投資部門確認(rèn)向Sakti3電池進(jìn)行了技術(shù)投資。然而即便有通用這種大公司的關(guān)注和資金扶持，也無法保證固態(tài)電池一定能成功。

不過得益于通用的支持，Sakti3公司得到了一個研發(fā)創(chuàng)新科技的好機(jī)會，Sastry自信地說到，在不同種類電池單元上開展的企業(yè)內(nèi)部測試顯示，他們的新產(chǎn)品擁有可靠的高能量密度。得益于太陽電池和平板顯示器技術(shù)的發(fā)展，才激發(fā)了Sakti3固態(tài)鋰離子電池理念；同樣參考該新型電池的設(shè)計，可以促進(jìn)很多其他行業(yè)的未來發(fā)展。

除了價格超低外，Sakti3公司的電池還是目前為止最安全的電池技術(shù)，這要歸因于其所采用的全固態(tài)結(jié)構(gòu)和電池所采用的材料。據(jù)Sakti3公司發(fā)布的錄像顯示在進(jìn)行濫用測試時即使焊料因過熱掉入正循環(huán)的電池內(nèi)，電池依然能正常地工作。

到目前為止，公司已在密西根的小型示范生產(chǎn)線上做了小批量生產(chǎn)，并聲稱會在未來1～2年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。固態(tài)鋰離子電池是否會成為電動汽車能量源的主流配置，現(xiàn)在還不得而知，讓我們拭目以待吧。

研發(fā)歷程

2006年，Sastry和同事開始做一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)優(yōu)化方案，希望弄清楚，對于電動汽車的電池，在能量、電力、質(zhì)量、容量、成本、安全性能等諸多重要因素中，哪些因素可以在一定程度上做一些讓步。他們的計算結(jié)果表明，傳統(tǒng)鋰電池中的液體電解質(zhì)，以及為了容納電解質(zhì)相關(guān)的包裝都可以舍棄。原因很簡單：與汽油不同，鋰電池中的電解液會發(fā)生二級化學(xué)反應(yīng)，從而使電池電力減弱，甚至使電池溶解或者起火。此外，由于電解液的微妙性質(zhì)，用在汽車上的鋰電池通常需要包裹冷卻管、電子控件等，這無疑提高了成本，額外增加了汽車質(zhì)量。

Sakti3公司使用的是真空沉積法。在真空沉積法中，材料是一層一層地沉積而成——首先是正極，接著是集流體、夾層、負(fù)極……將整個操作過程都在真空環(huán)境下進(jìn)行。Sastry說到，盡管在真空環(huán)境下操作成本也不算低，但是成本效益卻不錯?！笆紫?，固態(tài)鋰電池不需經(jīng)過‘熟化’過程，一生產(chǎn)出來就可以使用，而現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的電池，這個過程需要30到60天才能投入使用?！按送?，固態(tài)電池的產(chǎn)量也很高”，Sastry說。早期，就是因為受制于生產(chǎn)效率，固態(tài)電池發(fā)展緩慢?！拔覀儎傞_始做固態(tài)電池時，發(fā)現(xiàn)很多文獻(xiàn)里都提到了這類電池，但在生產(chǎn)時，相關(guān)機(jī)構(gòu)或人員都使用效率低下的生產(chǎn)平臺，導(dǎo)致成本總是很高。我們使用了數(shù)字模擬技術(shù)，一開始就在尋找成本低廉的生產(chǎn)工具，”Sakti3公司使用的是定制化原型生產(chǎn)線。時間越久，Sakti3公司就越能盈利。太陽電池板、平板顯示器和其他的固態(tài)電子產(chǎn)品生產(chǎn)采用的一些技術(shù)，Sakti3也大量地加以利用和研究?！耙驗檫@些技術(shù)先進(jìn)，節(jié)約成本，并且，與我們的需求也非常吻合，”Sastry說到，“我們將從中受益”。

當(dāng)然，還要考慮很多其他的因素，比如電池的壽命是多長？電池在報廢前，總共能充放電多少次？Sastry說，新型電池的化學(xué)反應(yīng)比傳統(tǒng)鋰電池簡單，因此，它的壽命應(yīng)該會更長?！拔覀円蚕Ｍ泻荛L的生命周期”。那安全性能怎么樣呢？“固態(tài)電池去除了電池中最具危險性的部分，”她繼續(xù)說，“你可以將電池劈成兩半，也可以讓電池處于高溫環(huán)境，但電池仍能繼續(xù)工作?！盋JPS

Sakti3固態(tài)鋰離子結(jié)構(gòu)圖