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SES麻省固能CEO:動力電池的未來,最終將走向鋰金屬電池

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:界面新聞

記者 | 程迪

10月初,據外媒報道,混合鋰金屬電池獨角獸企業SES麻省固能成功建立了第一條試點生產線,以擴大生產高性能solvent-in-salt電解液。

據悉,SES是近兩年全球電池產業的投資熱點,目前已經獲得了多家大型車企和能源巨頭的重視,其中不乏通用、現代、起亞、上汽、吉利、天齊鋰業等大公司。

今年7月,SES更宣布和艾芬豪資本收購公司達成最終合并協議,并將通過SPAC形式,于121月在紐約證券交易所掛牌上市,成為全球第一家上市的鋰金屬電池公司。

SES的混合鋰金屬電池和一般鋰離子電池的最大區別在于負極材料。它可以讓車輛續航提升50%,生產成本降低18%,充電速度也有大幅提升。

而此次擴產試點生產線,針對的就是混合鋰金屬電池負極材料中必備的一種特殊的高濃度鋰鹽中溶劑電解質配方,與鋰金屬混合后結構穩定,具有低揮發性和自熄性,更能使混合鋰金屬電池在低溫和高功率下,依舊保持著高能量密度和安全性。

更重要的是,由于正極和鋰離電子電池的材料完全一樣,混合鋰金屬電池完全可以采用現成的產業鏈體系,只需更改負極材料或形狀,即可全面對接相關電動車電池產業鏈。

SES的混合鋰金屬電池是否代表了動力電池行業的未來?為了更了解混合鋰金屬電池產業,我們對SES創始人兼CEO胡啟朝進行了一次獨家專訪。

麻省高材生的全新汽車電池之路

Solid Energy Systems麻省固體能源公司(簡稱SES)成立于2012年,是一家電動汽車高性能可充電混合鋰金屬電池開發者及制造商,在材料、電芯、模塊、基于人工智能學習的電池安全算法和電池回收再利用方面也都有涉獵。

創始人胡啟朝在2007年獲得了麻省理工學院物理學學士學位,并于2012年獲得了哈佛大學應用物理學博士學位,主攻固態電池方面。

圖片來源:SES麻省固能

同年,美國電池行業經歷了鋰電池生產商A123公司的破產事件。A123的慘敗讓胡啟朝產生了一個新思路:無論對車企、消費者還是電池公司本身,鋰離子電池可能都不是最好的選擇。

在此背景下,胡啟朝創立了Solid Energy Systems麻省固體能源公司,也就是如今SES的前身。公司創立后沒多久,胡啟朝當年入選了當年的《福布斯》雜志的“30位30歲以下精英”。

SES創立之初,胡啟朝選擇做的是做全固態鋰金屬電池的另一個原因,是因為這是他從大學時代就開始深耕的熟悉領域。從1990年代初開始,全固態鋰金屬電池的概念就已經出現,比索尼的鋰離子電池還要早。當時,全固態鋰電池指的就是以金屬鋰為負極,在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態,不含任何液態組份的鋰電池。

早期專業人士認為:與鋰離子體系相比,用鋰金屬做負極的固態電池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固態鋰金屬電池在材料和工藝加工方面,一直存在著極大的困難與挑戰。某種程度上說,全固態鋰電池似乎更像是一個夢想——至今,全球尚無一家電池公司能將這一夢想實現。

胡啟朝也是在試錯3年后,決定改做混合鋰金屬電池,即60%的正極材料和鋰離子金屬電池完全一樣,40%的負極采用鋰金屬和特殊電解液材料,這也是混合鋰金屬電池名字的由來。

目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方測試報告的混合鋰金屬電池公司,包括能量密度、循環、低溫、高溫、安全、快充等一系列測試報告。

同時,SES也是全球第一家和車企簽訂A樣品合作開發協議的混合鋰金屬電池公司。

目前公司已經在6年內完成了5輪融資。主要投資者包括韓國SK集團、通用汽車、現代汽車、起亞公司、淡馬錫、天齊鋰業、祥峰投資集團、美國應用材料公司和上汽集團等,累計融資近2.7億美元(約合人民幣17.44億元)。

今年7月,SES對外宣布與著名的艾芬豪資本收購公司正式合并。合并后的SES,股權價值約為36億美元,同時還獲得了4.76億美元的募資;預計今年11月,SES將在紐約證券交易所以SPAC的方式上市,將累積獲得7億美元左右的資金。

合并后的實體公司,將會成為全球少有的幾家動力電池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合鋰金屬電池供應商。

混合鋰金屬電池到底厲害在哪里?

從材質上看,鋰離子電池和鋰金屬電池的正極材料完全一樣(一般汽車的正極要占到電池的60%左右)。最大區別就是雙方的負極。鋰離子電池的負極主要是石墨和硅,鋰金屬電池的負極則為鋰金屬和特殊電解液材料——這也是混合鋰金屬電池名字的由來。

根據胡啟朝的描述,相比我們熟悉的鋰離子電池,混合鋰金屬電池擁有三點最突出的優勢:

第一:技術和資金成本更低。常規鋰離子電池的負極材料需要漿料、涂布、滾壓、干燥等程序,每一個環節都需要大量的設備與時間投入。而SES的鋰金屬電池采用滾壓的方式,將高純度鋰金屬滾壓成比較厚的鋰箔,再按需要逐步滾壓到所需要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整個鋰箔的制備過程都是在干燥環境中進行,無需溶劑,所以設備和環境的要求都會比前者簡單不少。

綜合下來,鋰金屬電池的成本,比鋰離子電池的成本低18%左右。

第二:能量密度更高。通過滾壓制得的混合鋰金屬電池,第三方檢測報告顯示,在滿足電池壽命和安全要求的前提下,能量密度一般可達到400Wh/kg,而一般鋰離子電池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,續航里程是常規鋰離子電池的50%以上。

比如今年1月通用推出的悍馬電動汽車,用傳統鋰離子電池充一次電后能跑300英里,用混合鋰金屬電池的話,同樣情況下,充一次電可以跑500英里,續航里能程得到大幅度提升。

第三:安全性更高。SES混合鋰金屬電池成功地從材料、制造工藝、軟件監控等多個層面提升了電池的安全性。

SES專有的獲專利電解液有助于解決幾十年來一直困擾著鋰金屬的采用和進展的問題。隨著反復的充電和放電循環,鋰金屬陽極會形成針狀苔蘚結構的“枝晶”,它可以穿透隔膜并讓電池短路。SES研究出的電解液不僅大大減緩了“枝晶”的生長,而且還將其形態從尖銳的樹枝狀結構變為“密集沉積(Dense Deposition)”,這大大延長電池的生命周期,并提升了安全性。

除了電解質之外,SES混合鋰金屬電池單元使用專有的陽極涂層,等于多提供一層保護,并能在充電時使鋰鍍層更密。

混合鋰金屬電池的正極材料、電解液和鋰離子電池都完全一樣,所以不僅可以采用現在電池企業所采取的措施,從電芯、模組等方面做散熱,還能在正極材料的混合電解液里加入添加劑,來緩解冬季低溫續航方面的問題。

軟件層面,SES采用先進的人工智能驅動的算法,可以準確地監測電池單元的健康狀況,并更早地發現任何即將出現的與"枝晶"有關的或其他的安全問題。

除了通過選擇更合適的材料提高電池安全,胡啟朝表示:“通過AI軟件監控,我們可以對電池從生產線、質量管理到上車,24小時不停地進行參數監測,從而精確了解電池健康狀況,在安全事故發生之前提前預測。”

另據界面新聞記者了解,由于混合鋰金屬電池的正極材料和鋰離子電池完全一樣,某種程度上,這兩種電池的生產工藝和隔膜原材料也是相同的,甚至混合鋰金屬電池的工藝從極片、電池組裝以及注液,再到生產設備,其實完全是從鋰離子電池行業脫胎而來。因此雙方的產業鏈可以進行對接。再加上SES鋰金屬電池采用的滾壓制備方式,使得其形狀也可做到和適用于高端汽車的高鎳電池、以及針對大眾型汽車的無鎳磷酸鐵鋰等電池完全匹配——即正極材料和形狀,完全可以根據不同市場來改變。

“一個更安全、續航里程更高的電池,等于一個更便宜的電池。SES結合了傳統鋰離子電池和全固態鋰金屬電池的優點,開發出的混合鋰金屬電池,既保留了全固態金屬電池的高能量密度優勢,也擁有鋰離子電池生產工藝和可制造性的一些優點。”胡啟朝解釋。

不過,從壽命周期來看,混合鋰金屬電池和鋰離子電池相差無幾,都在50萬公里以上。當然,一般當下車企給到的明確保證是在16萬公里左右,實際情況是遠高于此。

此外,SES也有自己的難點與痛點,就是負極材料的研發。畢竟目前全球極少有企業可以批量生產又寬又薄的鋰金屬材料,因此某種程度上,這種先進正是也代表著混合鋰金屬電池走向全面難以產業化道路上的難點之一。所以,這也將是SES的目前以及未來的主要攻克方向。

產品已進入驗證階段,但量產仍尚需時日

“綜合來說,混合鋰金屬電池具備了更高密度、成本更低、重量更輕、安全性更高、充電速度更快、智能化水平更高等六大優勢。不少業內專家認為,以硅為負極主要材料之一的鋰離子電池是目前到2025年的主流。以鋰金屬和特殊電解液材料的混合鋰金屬電池則是要到從2025年開始逐漸上升。”胡啟朝告訴界面新聞記者。

換言之,混合鋰金屬電池或將是汽車和動力電池行業的共識。

而且,目前SES的混合鋰金屬電池已經不止于實驗室階段,開始和部分車企進行產品驗證。

所謂產品驗證,其實車企專門針對動力電池研發方面提出的一項極為漫長的驗證過程。一般包含了工程樣品、A樣品、B樣品和C樣品四個階段共10年的漫長周期。

通常,5年左右的時間用于工程樣品研發;之后3年為A樣品開發生產,然后是1年B樣品和1年C樣品的開發生產。

據了解,SES在去年已經完成了工程樣品第一階段。并在今年3月和通用汽車達成聯合開發協議,在波士頓為后者開發A樣品電池;5月又和現代汽車與起亞簽署聯合開發協議,為現代開發A樣品電池。預計明年將進行A樣品的優化,2023年和2024年分別研發出B樣品和C樣品,2025年正式裝車上路。

這一點上,SES的確走在了所有鋰金屬電池開發商的最前面。

據悉,SES的A樣品要做到1GWh產能,B樣品和C樣品也是7到10GWh產能。一般而言,量產上車需要做到10GWh就可以量產上車。

圖片來源:SES麻省固能

SES和通用汽車已經在波士頓擁有了一條1GWh產能的A樣品生產線,而位于嘉定的上海分部未來也將完成也將在年底擴大面積,開始整個A樣品的開發。

據胡啟朝介紹,嘉定基地占地面積6000平方米,主要做6Ah和9Ah的小電芯產品開發中心。馬上,這個基地就會擴展到3萬平方米左右,成為SES全球最重要的基地。未來,將涵蓋電解液、鋰金屬負極、正極、電芯、軟件、模組、安全測試等各方面能力。預計今年年底,嘉定基地就將開始生產1GWh產能的混合鋰金屬電池,并成為SES業務布局的核心,從基礎研發、產品開發到生產工藝,乃至打通整個產業鏈。

胡啟朝表示:對于鋰離子電池來說,1GWh的產量并不算大,但對于混合鋰金屬電池來說,這將會是全球最大的生產中心。而為了控制產品質量和降低成本,SES未來還會自己生產電芯、材料、模組,甚至電池管理系統、電池安全軟件等配套產品。預計未來上海生產和研發中心的產能還會再進一步擴大,為下一步B和C樣品的10GWh產能做準備。

眼下,這家新興電池公司在為自己打開了一扇新世界大門的同時,也為全球車企和相關動力電池行業,打開了一扇新世界的大門。

對此,胡啟朝稱:“混合鋰金屬電池替代鋰離子電池并不會是一個一蹴而就非常迅速的過程,而是逐漸替代。”

在他看來,動力電池從最初的鉛酸電池到后來的鎳電池,再到當前市場應用最廣泛的鋰電子電池,未來會最終走向鋰金屬電池。

目前,SES在全球約有110位職員,研發人員的比例高達90%,其中很多研發人員都曾在大多來自CATL、LG、SK等著名的鋰離子企業工作過。

截止今年9月,SES已在波士頓、上海、新加坡和首爾這四座城市設有重要部門。

其中,新加坡為控投總部;波士頓的設施分部主要負責與通用的合作,主攻化學、材料和算法研發,以及一家試驗工廠;而位于上海的嘉定工廠分部,承擔的責任與任務最為復雜——既有制造工藝開發,以及電池、模組和BMS研發部門,又有大型試驗工廠。


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