能量密度翻番的电池来了

汽车商业评论2024-05-15 17:10

汽车商业评论

撰文 / 钱亚光

编辑 / 黄大路

设计 / 师 超

来源 / lyten.com, electrek.co, Business Wire

题图 / Lyten锂硫A样品袋式电池,照片来源:Lyten

前不久,材料创新与应用公司Lyten已向Stellantis和其他美国和欧盟汽车制造商发运6.5 Ah锂硫(Li-S)袋式电池A样进行测试。

Lyten发运的锂硫袋式电池样品(3C放电倍率,25°C)是美国和欧洲汽车制造商对锂硫电池进行商业评估的重要一步。

“这一里程碑是莱顿团队多年辛勤工作和创新的结果,我们才刚刚开始进一步扩大锂硫电池性能,”莱顿首席执行官兼联合创始人丹·库克(Dan Cook)说。

虽然锂电池一直是电池行业的明星,但容量、安全等固有的不足,促使人们不断在寻找替代品。钠离子电池性能与锂离子电池相似,但因钠资源的丰富而成本更低;铝空气电池继续因其高能量密度潜力而引起人们的关注;能量密度更大,重量更轻、安全性更好的锂硫电池也吸引了创新者和投资者的兴趣。

电池新星

锂硫电池(Lithium Sulfur Battries,Li-S batteries)由硫复合阴极、金属锂阳极和两者之间的电解质组成。

今年年初发表于《IEEE Access》杂志上的一项研究表明,在对锂离子电池、硅聚丙烯腈(SiCPAN)电池、硅纳米线(SiNW))电池、全固态电池和锂硫电池五种电池进行分析后发现,锂硫电池是最环保的电动汽车电池。

Lyten 认为其锂硫电池有以下优势:

首先,是能量密度。Lyten 声称,其锂硫配方的电池能量密度是三元锂(镍钴锰)电池的两倍。就电动汽车应用而言,这意味在相同的体积和重量下,锂硫电池能存储并供应更多的电能,为电动汽车提供更长的行驶里程。据第三方测算,到2028年,更换Lyten的锂硫电池后,五大领先的电动汽车品牌整车电池可平均减重170kg。

3D石墨烯,来源是甲烷中的碳▼

其次,是更安全,这种LytCell EV锂硫电池对过充和穿刺失效模式有很强的抵抗力,无需使用可能导致失控热反应的氧化物。

第三,是成本更低。Lyten 使用硫和专有的3D石墨烯(3D Graphene)制造阴极,这是一种从天然气中提取的专利可调低碳超材料,已经通过独立验证,在大规模生产时实现了碳中和。

采用3D石墨烯,就无需在阴极中使用镍、钴和锰等关键矿物质。锂硫电池阳极是一种锂金属复合材料,无需石墨。因此,锂硫电池材料和制造成本,即使与低成本的磷酸铁锂(LFP)相比,也具有竞争力。

另外,这种新电池只需进行小幅修改,就可使用现有锂离子电池设备制造。

第三是减少碳排放。根据 Lyten 的计算,去掉钴和其他关键材料后,与电池制造相关的能源将大幅减少。LytCell EV锂硫电池的碳足迹,估计比同类最佳的锂离子电池低60%以上,比固态电池低40%。而Lyten独特的热塑性配方LytR,可减少高达50%的材料用量,同时保持或提高强度和性能,从而需要更少的聚乙烯材料,减少碳足迹高达55%。

第四是供应链可靠性。Lyten 表示,从阴极和阳极中去除镍、钴和石墨意味着大规模简化供应链,使得电池可以在任何地方生产,并且材料清单比锂离子电池降低了50%。

Lyten的首席电池技术官西莉娜·米科拉杰克(Celina Mikolajczak)强调了这项技术的更广泛影响:“世界需要一种实用的大众市场电池,这就是我们用锂硫技术所建造的电池。大规模电气化和净零目标需要更高能量密度、更轻重量和更低成本的电池,这些电池可以大规模地使用当地丰富的材料来生产和供应。”

克服瓶颈

锂硫电池虽然在理论上展现出卓越的性能,但在现实操作条件下面临与循环寿命和稳定性有关的问题,但Lyten表示,它已经解决了其锂硫电动汽车电池的这些挑战。

Lyten将其专有的3D石墨烯结构集成到Li-S电池的阴极中。这种结构增强了电池的整体稳定性和导电性,解决了常见的问题,如多硫化物穿梭效应,这通常会导致Li-S电池的快速容量损失。

来自阴极的长链多硫化物扩散到阳极,并在那里进一步还原为较短链的多硫化物,然后扩散回阴极,并再次被氧化为长链多硫化物▼

所谓多硫化物穿梭效应,指的是在充放电过程中,阴极产生的多硫化物(Li2Sx)中间体溶解到电解液中,不仅会导致正极硫活性物质的流失,还会通过隔膜扩散到阳极,被锂还原生成不溶的Li2S2和Li2S附着在阳极表面。

这种穿梭效应不仅降低了硫的利用率,限制了比容量,还会降低锂硫电池的循环稳定性,最终造成了电池中有效物质的不可逆损失,更可能引起电池内部结构的微妙变化,导致电池寿命的衰减。

为了解决多硫化物穿梭效应的问题,研究者们提出了多种策略,而Lyten在其锂硫电池的阴极中采用了其专利的3D石墨稀结构——Lyten 3D Graphene™。

Lyten 3D Graphene™在许多有价值的性能上与2D石墨烯相似,但其化学和电气活性要高几个数量级,同时其三维形态使其具有高度可调性。开发3D石墨烯材料的工艺和设备是Lyten的专利技术发明,已获得专利。

这种结构提高了电池的整体稳定性和导电性,解决了常见的多硫化物穿梭效应问题。这种设计还可以帮助提高电池的整体能量密度,同时潜在地减少随着时间的推移而发生的降解。

3D石墨稀是实现Lyten锂硫电池的关键材料创新,是一种脱碳超级材料。该材料是通过将温室气体甲烷分解成固体碳和清洁氢气来获取的。其独特强度、重量和电导性可用于在最难减碳的行业(包括汽车、航空航天、建筑、工业和物流)的产品制造。

此外,Lyten还使用锂金属复合材料作为阳极,而不是传统的石墨,提高了阳极的稳定性和效率,还有助于提高电池的整体能量密度,同时有可能随着时间的推移减少劣化。

量产进程

Lyten是一家2015年成立的材料创新与应用公司,由来自汽车、能源、电池、半导体、制造和国防领域的一群经验丰富的高管领导。该公司拥有超过415项已授予或悬而未决的专利,目前正在加利福尼亚州圣何塞生产Lyten Graphene™材料及LytCell™电动汽车电池。

其在加州圣何塞的半自动化试生产线于2023年5月上线,可使用标准的锂离子制造设备和工艺生产锂硫电池。该生产线能够为汽车原始设备制造商提供 A 样和 B 样,并为小批量客户提供完全商用的电池。

该公司既生产锂硫袋式电池,也生产圆柱形电池(2170和18650),目前正在向客户发运6.5 Ah袋式电池样品。今年晚些时候,Lyten计划今年晚些时候发运圆柱形A样品供评估。

Lyten的第一座大规模工厂目前正在与特纳建筑公司(Turner Construction)和SSOE合作设计,用于生产汽车动力电池C样品及更高级别的电池。

至于谁将成为这些新型电动汽车电池的早期采用者,Lyten 在新闻稿中提到了 Stellantis 公司,该公司的潜在交付目标还包括 20 多家尚未命名的客户。

2023年5月,Stellantis在宣布已投资Lyten的锂硫电池开发。2024年2月,克莱斯勒宣布将在其Halcyon概念电动车中采用Lyten的Li-S电池。

目前,Lyten已经向一家美国大型消费电子公司运送了样品,计划在5月向美国国防部交付电池,并计划在2024年第二季度和第三季度向20多个潜在客户交付样品进行商业评估。Lyten目前的目标是今年向航空航天和国防客户提供商业用途电池。

Lyten已经筹集了超过4.1亿美元的股权资本,包括来自Stellantis、FedEx、Honeywell、Walbridge和Prime Movers Lab的投资。

美国能源部也向Lyten提供了400万美元资金,以加速其研发进程。根据这项拨款,Lyten 将与斯坦福大学、德克萨斯大学奥斯汀分校以及 Arcadium Lithium 公司(由 Livent 和 Allkem 合并而成)合作,旨在加速锂硫电池的生产。

从运送A样到主机厂测试,其实离商业化生产还有很长的路要走,因为A样满足基本功能,B样电性能、循环性能、尺寸满足要求,C样需要满足安全要求,到了D样才能达到量产要求。

不过,对于新型电动汽车电池来说,这仍然是一个重要里程碑。正如Lyten所描述的,A样装运 “启动”了通往大众市场的一系列步骤。

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