能量密度翻番的電池來了
時間:2024-05-15 09:40來源:汽車商業評論 作者:錢亞光
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前不久，材料創新與應用公司Lyten已向Stellantis和其他美國和歐盟汽車制造商發運6.5 Ah鋰硫（Li-S）袋式電池A樣進行測試。
Lyten發運的鋰硫袋式電池樣品（3C放電倍率，25°C）是美國和歐洲汽車制造商對鋰硫電池進行商業評估的重要一步。
“這一里程碑是萊頓團隊多年辛勤工作和創新的結果，我們才剛剛開始進一步擴大鋰硫電池性能，”萊頓首席執行官兼聯合創始人丹·庫克(Dan Cook)說。
雖然鋰電池一直是電池行業的明星，但容量、安全等固有的不足，促使人們不斷在尋找替代品。鈉離子電池性能與鋰離子電池相似，但因鈉資源的豐富而成本更低；鋁空氣電池繼續因其高能量密度潛力而引起人們的關注；能量密度更大，重量更輕、安全性更好的鋰硫電池也吸引了創新者和投資者的興趣。
電池新星
鋰硫電池（Lithium Sulfur Battries，Li-S batteries）由硫復合陰極、金屬鋰陽極和兩者之間的電解質組成。
今年年初發表于《IEEE Access》雜志上的一項研究表明，在對鋰離子電池、硅聚丙烯腈（SiCPAN）電池、硅納米線（SiNW)）電池、全固態電池和鋰硫電池五種電池進行分析后發現，鋰硫電池是最環保的電動汽車電池。
Lyten 認為其鋰硫電池有以下優勢：
首先，是能量密度。Lyten 聲稱，其鋰硫配方的電池能量密度是三元鋰（鎳鈷錳）電池的兩倍。就電動汽車應用而言，這意味在相同的體積和重量下，鋰硫電池能存儲并供應更多的電能，為電動汽車提供更長的行駛里程。據第三方測算，到2028年，更換Lyten的鋰硫電池后，五大領先的電動汽車品牌整車電池可平均減重170kg。
3D石墨烯，來源是甲烷中的碳▼
其次，是更安全，這種LytCell EV鋰硫電池對過充和穿刺失效模式有很強的抵抗力，無需使用可能導致失控熱反應的氧化物。
第三，是成本更低。Lyten 使用硫和專有的3D石墨烯（3D Graphene）制造陰極，這是一種從天然氣中提取的專利可調低碳超材料，已經通過獨立驗證，在大規模生產時實現了碳中和。
采用3D石墨烯，就無需在陰極中使用鎳、鈷和錳等關鍵礦物質。鋰硫電池陽極是一種鋰金屬復合材料，無需石墨。因此，鋰硫電池材料和制造成本，即使與低成本的磷酸鐵鋰（LFP）相比，也具有競爭力。
另外，這種新電池只需進行小幅修改，就可使用現有鋰離子電池設備制造。
第三是減少碳排放。根據 Lyten 的計算，去掉鈷和其他關鍵材料后，與電池制造相關的能源將大幅減少。LytCell EV鋰硫電池的碳足跡，估計比同類最佳的鋰離子電池低60%以上，比固態電池低40%。而Lyten獨特的熱塑性配方LytR，可減少高達50%的材料用量，同時保持或提高強度和性能，從而需要更少的聚乙烯材料，減少碳足跡高達55%。
第四是供應鏈可靠性。Lyten 表示，從陰極和陽極中去除鎳、鈷和石墨意味著大規模簡化供應鏈，使得電池可以在任何地方生產，并且材料清單比鋰離子電池降低了50%。
Lyten的首席電池技術官西莉娜·米科拉杰克（Celina Mikolajczak）強調了這項技術的更廣泛影響：“世界需要一種實用的大眾市場電池，這就是我們用鋰硫技術所建造的電池。大規模電氣化和凈零目標需要更高能量密度、更輕重量和更低成本的電池，這些電池可以大規模地使用當地豐富的材料來生產和供應。”
克服瓶頸
鋰硫電池雖然在理論上展現出卓越的性能，但在現實操作條件下面臨與循環壽命和穩定性有關的問題，但Lyten表示，它已經解決了其鋰硫電動汽車電池的這些挑戰。
Lyten將其專有的3D石墨烯結構集成到Li-S電池的陰極中。這種結構增強了電池的整體穩定性和導電性，解決了常見的問題，如多硫化物穿梭效應，這通常會導致Li-S電池的快速容量損失。
來自陰極的長鏈多硫化物擴散到陽極，并在那里進一步還原為較短鏈的多硫化物，然后擴散回陰極，并再次被氧化為長鏈多硫化物▼
所謂多硫化物穿梭效應，指的是在充放電過程中，陰極產生的多硫化物（Li2Sx）中間體溶解到電解液中，不僅會導致正極硫活性物質的流失，還會通過隔膜擴散到陽極，被鋰還原生成不溶的Li2S2和Li2S附著在陽極表面。
這種穿梭效應不僅降低了硫的利用率，限制了比容量，還會降低鋰硫電池的循環穩定性，最終造成了電池中有效物質的不可逆損失，更可能引起電池內部結構的微妙變化，導致電池壽命的衰減。
為了解決多硫化物穿梭效應的問題，研究者們提出了多種策略，而Lyten在其鋰硫電池的陰極中采用了其專利的3D石墨稀結構——Lyten 3D Graphene™。
Lyten 3D Graphene™在許多有價值的性能上與2D石墨烯相似，但其化學和電氣活性要高幾個數量級，同時其三維形態使其具有高度可調性。開發3D石墨烯材料的工藝和設備是Lyten的專利技術發明，已獲得專利。
這種結構提高了電池的整體穩定性和導電性，解決了常見的多硫化物穿梭效應問題。這種設計還可以幫助提高電池的整體能量密度，同時潛在地減少隨著時間的推移而發生的降解。
3D石墨稀是實現Lyten鋰硫電池的關鍵材料創新，是一種脫碳超級材料。該材料是通過將溫室氣體甲烷分解成固體碳和清潔氫氣來獲取的。其獨特強度、重量和電導性可用于在最難減碳的行業（包括汽車、航空航天、建筑、工業和物流）的產品制造。
此外，Lyten還使用鋰金屬復合材料作為陽極，而不是傳統的石墨，提高了陽極的穩定性和效率，還有助于提高電池的整體能量密度，同時有可能隨著時間的推移減少劣化。
量產進程
Lyten是一家2015年成立的材料創新與應用公司，由來自汽車、能源、電池、半導體、制造和國防領域的一群經驗豐富的高管領導。該公司擁有超過415項已授予或懸而未決的專利，目前正在加利福尼亞州圣何塞生產Lyten Graphene™材料及LytCell™電動汽車電池。
其在加州圣何塞的半自動化試生產線于2023年5月上線，可使用標準的鋰離子制造設備和工藝生產鋰硫電池。該生產線能夠為汽車原始設備制造商提供 A 樣和 B 樣，并為小批量客戶提供完全商用的電池。
該公司既生產鋰硫袋式電池，也生產圓柱形電池（2170和18650），目前正在向客戶發運6.5 Ah袋式電池樣品。今年晚些時候，Lyten計劃今年晚些時候發運圓柱形A樣品供評估。
Lyten的第一座大規模工廠目前正在與特納建筑公司（Turner Construction）和SSOE合作設計，用于生產汽車動力電池C樣品及更高級別的電池。
至于誰將成為這些新型電動汽車電池的早期采用者，Lyten 在新聞稿中提到了 Stellantis 公司，該公司的潛在交付目標還包括 20 多家尚未命名的客戶。
2023年5月，Stellantis在宣布已投資Lyten的鋰硫電池開發。2024年2月，克萊斯勒宣布將在其Halcyon概念電動車中采用Lyten的Li-S電池。
目前，Lyten已經向一家美國大型消費電子公司運送了樣品，計劃在5月向美國國防部交付電池，并計劃在2024年第二季度和第三季度向20多個潛在客戶交付樣品進行商業評估。Lyten目前的目標是今年向航空航天和國防客戶提供商業用途電池。
Lyten已經籌集了超過4.1億美元的股權資本，包括來自Stellantis、FedEx、Honeywell、Walbridge和Prime Movers Lab的投資。
美國能源部也向Lyten提供了400萬美元資金，以加速其研發進程。根據這項撥款，Lyten 將與斯坦福大學、德克薩斯大學奧斯汀分校以及 Arcadium Lithium 公司（由 Livent 和 Allkem 合并而成）合作，旨在加速鋰硫電池的生產。
從運送A樣到主機廠測試，其實離商業化生產還有很長的路要走，因為A樣滿足基本功能，B樣電性能、循環性能、尺寸滿足要求，C樣需要滿足安全要求，到了D樣才能達到量產要求。
不過，對于新型電動汽車電池來說，這仍然是一個重要里程碑。正如Lyten所描述的，A樣裝運 “啟動”了通往大眾市場的一系列步驟。
(責任編輯：子蕊)
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