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半价锂离子电池具有更高的性能和可回收性

em麻省理工派生公司24M公司已经对锂离子电池的制造工艺进行了重新设计,以降低成本,提高性能并使其更易于回收。 / em

由麻省理工学院和24M公司的研究人员开发的先进的锂离子电池制造方法有望大幅度降低最广泛使用类型的可充电电池的成本,同时提高其性能并使其更易于回收。

“我们已经彻底改变了这一过程,”麻省理工学院陶瓷教授陶明明和24M联合创始人之一蒋明明(以前是电池公司A123的共同创始人之一)说道。他说,现有的制造锂离子电池的工艺在技术发明后的20年内几乎没有变化,而且效率低下,步骤和组件比真正需要的要多。

新工艺基于蒋和他的同事五年前开发的概念,包括POSCO材料科学与工程教授W. Craig Carter。在这种所谓的“液流电池”中,电极是由液体携带的微小颗粒悬浮液,并通过电池的不同隔室泵送。

新电池设计是流动电池和传统固体电池的混合体:在这个版本中,虽然电极材料不流动,但它由类似的半固体颗粒胶体悬浮液组成。蒋和卡特将此称为“半固体电池”。

更简单的制造过程

“这种方法极大地简化了制造过程,同时也使得电池具有灵活性和抗损坏性,”蒋介绍说,他是 / em杂志的论文的高级作者, em电源 / em分析在固体和流动型电池之间进行选择所涉及的折衷,具体取决于其特定应用和化学成分。

该分析表明,尽管流动电池系统适用于能量密度较低的电池化学成分(对于给定重量只能存储有限能量的那些化合物),但对于锂离子电池等高能量密度设备,流量系统的额外复杂性和组件会增加不必要的额外成本。

蒋介绍说:“几乎在发布流动电池的早期研究之后,我们意识到使用这种可流动电极技术的更好方法是重塑[锂离子]制造工艺。”

取代将液体涂料涂布到背衬材料卷上的标准方法,然后必须等待该材料干燥才能移动到下一个制造步骤,新工艺使电极材料保持液态,并且不需要干燥阶段。使用更少,更厚的电极,该系统将传统电池结构的不同层数以及结构中无功能材料的数量减少了80%。

电极以微小悬浮颗粒而不是固结板的形式极大地减少了带电粒子在穿过材料时的路径长度 - 这种性质被称为“弯曲度”。较不曲折的路径使得可以使用较厚的电极,其中反过来,简化了生产并降低了成本。

可弯曲和可折叠

蒋介绍说,除了简化制造工艺以将电池成本降低一半之外,新系统还生产出更灵活和更有弹性的电池。虽然传统的锂离子电池由脆性电极组成,可在应力下破裂,但新配方生产的电池电芯可以弯曲,折叠甚至可以被子弹穿透而不会失效。他说,这应该可以提高安全性和耐用性。

该公司迄今已在其原型装配线上制造了大约10,000个电池,其中大部分正在接受三家工业合作伙伴的测试,包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI Corp.。该工艺已获得八项专利,拥有75项正在审查的其他专利; 24M已经从风险投资公司和美国能源部拨款筹集了5000万美元的资金。

该公司最初专注于电网安装,用于帮助消除电力负荷,并为产生间歇性输出的可再生能源(如风能和太阳能)提供备用电源。但蒋表示,该技术也非常适合重量和体积有限的应用,例如电动汽车。

蒋说,这种方法的另一个优点是使用该方法的工厂可以通过简单地添加相同的单位来扩大规模。随着传统锂离子电池的生产,工厂必须从一开始就大规模建设,以降低单位成本,因此它们需要更大的初始资本支出。到2020年,蒋估计24M将能够生产每千瓦小时不到100美元的电池。

卡内基梅隆大学机械工程助理教授Venkat Viswanathan未参与此项工作,他表示,新论文中提出的分析“解决了一个非常重要的问题,即建立液流电池与静态模型的比较好。 ......本文将作为制定设计选择和不做决定的关键工具。“

Viswanathan补充说,24M的新电池设计“可以对与锂离子电池相同的电池制造方式进行破坏,就像微型钢厂对集成钢厂所做的那样。”

除蒋之外, em电源 / em论文由伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校的机械工程学教授亚历山大·斯洛克姆(Alexander Slocum)和凯尔史密斯(Kyle Smith)的研究生布兰顿霍普金斯(Brandon Hopkins)合着。这项工作得到了美国能源部能源存储研究中心的支持,该中心位于伊利诺州的阿贡国家实验室。

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

图片:24M