【第一電動(dòng)網(wǎng)】(特約作者 車林獨(dú)俠)前幾天，第一電動(dòng)網(wǎng)發(fā)布了一篇名為《中國(guó)電動(dòng)汽車要彎道超車 BMS(電池管理系統(tǒng))必須攻克》的文章，本人認(rèn)為其觀點(diǎn)值得商榷。因?yàn)闆](méi)有高性能的電池，BMS再先進(jìn)也無(wú)用，并且電動(dòng)汽車可采用多種電池、多種儲(chǔ)能系統(tǒng)，各種系統(tǒng)不同，需要不同的BMS，不可能一種BMS包打天下。目前影響電動(dòng)汽車的安全性、續(xù)航里程、充電速度以及制造成本的關(guān)鍵因素都是電池，電池才是電動(dòng)汽車的瓶頸！

10月22日在京召開(kāi)的全國(guó)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)工作座談會(huì)上，國(guó)務(wù)院副總理馬凱指出“從供給和需求兩方面發(fā)力，加快動(dòng)力電池革命性突破”，“要抓住動(dòng)力電池這個(gè)核心，明確近期發(fā)展路線，實(shí)施鋰電升級(jí)工程，推動(dòng)電池技術(shù)早日實(shí)現(xiàn)革命性突破”。大家都在呼喚“超級(jí)電池”在哪里？如果因?yàn)椤半姵鼗旧鲜遣牧峡茖W(xué)，屬于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”，“從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化路途漫長(zhǎng)”，而急功近利放棄電池的研究，中國(guó)的電動(dòng)汽車永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)彎道超車。

國(guó)外在電池技術(shù)方面比中國(guó)領(lǐng)先，是指目前的鋰電池。在新一代“超級(jí)電池”方面，國(guó)外也還在探索。 第一電動(dòng)網(wǎng)還發(fā)布過(guò)《“超級(jí)電池”在哪里？》一文，文中說(shuō)的五大電池技術(shù)商業(yè)前景可期，這是真的嗎？為此作了一些調(diào)查。

1、 關(guān)于蔣業(yè)明的半固態(tài)鋰液流電池和nanoFLOWCELL的液流電池

《要做“超級(jí)電池”的，不僅僅是特斯拉，還有華人蔣業(yè)明》一文中提到，蔣業(yè)明在麻省理工(MIT)的平臺(tái)上與風(fēng)投資本合作，先后創(chuàng)辦了4家初創(chuàng)公司，其中最近的一家就是做電池的24M。最初，蔣業(yè)明提出的解決方案是液流電池。

液流電池系統(tǒng)中通常包含兩個(gè)容器，其中儲(chǔ)存著液體化學(xué)溶劑，形成兩個(gè)次系統(tǒng)。這兩個(gè)次系統(tǒng)間的連接部分為發(fā)電區(qū)，以一個(gè)薄膜隔開(kāi)。這兩種化學(xué)溶劑，從它們所在容器流動(dòng)到發(fā)電區(qū)，隔著薄膜產(chǎn)生離子交換，進(jìn)行放電或儲(chǔ)電。增加鋰電池的容量有兩條路：一是增加電池芯數(shù)量，二是增加能量密度。增加電池芯數(shù)量的話，鎳和鈷等金屬的消耗將同比例增加，邊際成本很高。而要增加液流電池的容量只需連接更大的液體倉(cāng)，成本很低。缺點(diǎn)就是體積太大，因?yàn)橐毫麟姵氐哪芰棵芏冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰電池。

蔣業(yè)明想為何不用鋰電池的化學(xué)成分來(lái)造液流電池呢？這種結(jié)合的產(chǎn)物將擁有比液流電池更小的體積，比鋰電池更低的生產(chǎn)成本。于是他把這個(gè)課題交給了一位本科生Mihai Duduta，僅僅一個(gè)月后，Duhata拿出了第一個(gè)工作原型。如此驚人的速度讓所有人吃了一驚，蔣業(yè)明隨即向投資人展示了原型，并獲得了1250萬(wàn)美元的投資。有了彈藥，24M開(kāi)工了。只是，畫(huà)面太美，世界把 24M當(dāng)成了挑戰(zhàn)風(fēng)車的唐吉坷德。新概念走向死胡同！

24M的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)吸引了他們的注意力。蔣業(yè)明要求團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)一些鋰離子靜態(tài)電池作為對(duì)照，結(jié)果非常令人意外。他們用液流電池的泥漿制作了一些靜態(tài)電池，并對(duì)它們進(jìn)行數(shù)百次的充放電，電池容量竟然驚人地穩(wěn)定。這一現(xiàn)象讓一些年輕的員工，包括立下汗馬功勞的Duduta，對(duì)液流電池產(chǎn)生了懷疑。這些年輕人不像蔣業(yè)明那樣癡迷于液流電池，他們開(kāi)始認(rèn)為靜態(tài)的電池才是正確的出路。

24M液流電池的成敗，取決于能否找到合適的儲(chǔ)液罐尺寸，來(lái)使液流電池的生產(chǎn)成本降到靜態(tài)電池(static battery)之下。而直至2010年末，團(tuán)隊(duì)仍然沒(méi)有找到這個(gè)“盈虧平衡點(diǎn)”。兩派觀點(diǎn)各執(zhí)一詞，蔣業(yè)明不認(rèn)為“平衡點(diǎn)”是個(gè)問(wèn)題，而他多年的合作伙伴Craig Carter卻堅(jiān)持要找到這個(gè)平衡點(diǎn)。Carter招來(lái)一個(gè)小伙子Jeff Disko，以不找到不罷休的精神，開(kāi)始死磕各項(xiàng)參數(shù)。接下來(lái)的兩周時(shí)間里，Disko加班加點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，Carter則做了個(gè)軟件，用于對(duì)電池參數(shù)進(jìn)行可視化展示。兩周后，他們終于找到了那個(gè)平衡點(diǎn)。結(jié)果是，要與化石能源競(jìng)爭(zhēng)，鋰離子液流電池將需要一個(gè)巨大的液流倉(cāng)。要多大？大概相當(dāng)于一座核電廠那么大。這樣的結(jié)果，不但Carter和Disko不敢相信，對(duì)于整個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)都是難以接受的。他們反復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，“不可能”的答案反復(fù)呈現(xiàn)。于是2011年初的一次會(huì)議上他們向團(tuán)隊(duì)展示了研究結(jié)果：除非是要為一座城市供能，否則還是用靜態(tài)電池比較劃算。

與許多初創(chuàng)公司一樣，當(dāng)初靈機(jī)一動(dòng)的點(diǎn)子都會(huì)死在商業(yè)化的道路上。開(kāi)完會(huì)兩天后，蔣業(yè)明宣布放棄液流電池，公司將研發(fā)一種靜態(tài)電池，24M把做過(guò)的事情歸零。

列支敦士登的nanoFLOWCELL的液流電池，也存在在蔣業(yè)明的液流電池相同的問(wèn)題——體積過(guò)大。在電動(dòng)汽車上，不是將原型車中200升體積的電池倉(cāng)，擴(kuò)充至800升就可續(xù)航1000公里這么簡(jiǎn)單。

2、關(guān)于固態(tài)電池

《三種改變世界的電池技術(shù)》中介紹了Sakti3的固態(tài)電池，“固態(tài)電池?fù)碛卸喾N類型，但它們的共同之處是放棄了鋰離子電池當(dāng)中可燃性很高的液態(tài)電解質(zhì)，轉(zhuǎn)而使用了其他材料——通常是金屬混合物——來(lái)在電極之間傳導(dǎo)電子和產(chǎn)生電能?！薄坝捎趦?nèi)部不含液體，固態(tài)電池也就沒(méi)有必要被加入絕緣層和其他安全措施，因此這種電池的體積和重量相比鋰電池有所降低，同時(shí)適應(yīng)能力更強(qiáng)。對(duì)于電動(dòng)汽車廠商來(lái)說(shuō)，這些都是頗具吸引力的優(yōu)勢(shì)。”

眾所周知，鋰電池的電解質(zhì)只是鋰離子的導(dǎo)體，不能儲(chǔ)能。鋰電池的電解質(zhì)也不會(huì)是“金屬混合物”，因金屬不可傳導(dǎo)離子。液態(tài)的電解質(zhì)改變?yōu)楣虘B(tài)電解質(zhì)，如使用的電解質(zhì)總量不變，也不可能提高電池的能量密度。僅僅是減少絕緣層和其他安全措施而降低的非儲(chǔ)能材料的重量是有限的，因而由此提高的能量密度也不會(huì)多。

Sakti3已經(jīng)吸引到了來(lái)自知名企業(yè)的投資，比如通用汽車。QuantumScape也是一家固態(tài)電池技術(shù)公司，但他們的技術(shù)據(jù)傳和Sakti3較為類似。其實(shí)，采用高能存儲(chǔ)材料才是Sakti3電池的關(guān)鍵：有報(bào)導(dǎo)“Sakti3棄用了傳統(tǒng)鋰電池中的可燃液體電解質(zhì)，通過(guò)其高能存儲(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步”，使“Sakti3研發(fā)的電池能量密度達(dá)到每升1000瓦時(shí)，這是目前普通鋰電池的兩倍”。

從照片中可以看到，Sakti3超薄電池單體是長(zhǎng)×寬約200×100mm2的矩形薄片，厚度約1mm，電池兩表面已制備有有金屬光澤的電極，估計(jì)為鋁箔。

Sakti3使用的“高能存儲(chǔ)材料”是什么材料，固體電解質(zhì)是什么材料？眾所周知，目前已知的可用于電池的“高能存儲(chǔ)材料”只有鋰硫化合物和鋰硅化合物兩類。當(dāng)電極箔表面分別制備鋰硫化合物膜和鋰硅化合物膜作正極和負(fù)極，采用能夠供鋰離子遷移的膜作電解質(zhì)，即可成為單體電池。

目前國(guó)內(nèi)外研究的鋰硫化合物和鋰硅化合物電池，都是按現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)制造，受制于活性層充放電膨脹脫落和負(fù)離子的流失，電池壽命短。國(guó)內(nèi)外的研究者采取的解決方案，都不外乎是將存儲(chǔ)材料外包覆保護(hù)殼后制活性層，或是將活性層制備成多層三明治型。

作者在一發(fā)明中指出：作電解質(zhì)供鋰離子遷移的膜，可采用導(dǎo)電聚合物陽(yáng)離子膜。導(dǎo)電聚合物陽(yáng)離子膜包覆于鋰硫化合物或鋰硅化合物膜表面，可成為防止負(fù)離子流失的保護(hù)膜，可解決電池的壽命問(wèn)題。Sakti3單體電池的固態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于解決活性層充放電膨脹脫落的問(wèn)題。將多個(gè)Sakti3單體電池并聯(lián)即可制備得高電壓的動(dòng)力電池。

Sakti3的優(yōu)點(diǎn)在于：可采用現(xiàn)有的涂布設(shè)備制備單體電池，也可采用3D打印制備單體電池。Sakti3的不足在于：電池電極的面積小，鑒于鋰硫化合物和鋰硅化合物的電子導(dǎo)電性和離子遷移性差，于電極膜表面制備的儲(chǔ)能膜不能太厚，致儲(chǔ)能膜的實(shí)際體積小、活性材料的量少。若電極和電解質(zhì)膜的質(zhì)量在電池中占比過(guò)大，將影響電池的儲(chǔ)能密度。成功的關(guān)鍵在于采用重量極輕的電極箔和電解質(zhì)膜，但更重要的還是如何增加儲(chǔ)能膜的厚度，看來(lái)Sakti3已成功地解決了此問(wèn)題。我也對(duì)找到了解決這個(gè)問(wèn)題的好辦法。

大眾汽車“目前焦點(diǎn)主要聚集在將現(xiàn)有鋰離子電池升級(jí)版方案，以及固態(tài)電池技術(shù)兩個(gè)方向”，雖然沒(méi)有提及具體的技術(shù)內(nèi)容，估計(jì)大眾的固態(tài)電池應(yīng)與Sakti3類似。

但是，還有一種固態(tài)電容器也可用于電動(dòng)汽車作高密儲(chǔ)能器?！度N改變世界的電池技術(shù)》一文中提到：“目前，美國(guó)能源部能源高級(jí)研究計(jì)劃局(ARPA-E)就正在測(cè)試兩個(gè)不同的固態(tài)電池項(xiàng)目，其一是鋰離子固態(tài)電池，另一個(gè)則完全不使用鋰?！边@一“完全不使用鋰”的“固態(tài)電池”作者估計(jì)就是固態(tài)電容器，因?yàn)榉卿嚥牧系膬?chǔ)能密度小，難以成為電池的“高能存儲(chǔ)材料”。

眾所周知電容器比電池在安全性、使用壽命、充電速度和管理等方面更有優(yōu)勢(shì)。通用汽車矚目的“固態(tài)電池”，其實(shí)是一種高儲(chǔ)能密度的固態(tài)電容器。2008年通用汽車曾入股EEStor公司取得9.8%的股權(quán)。而EEStor研究的就是高儲(chǔ)能密度的固態(tài)電容器。國(guó)內(nèi)有儲(chǔ)能權(quán)威和專業(yè)網(wǎng)站將EEStor電容器歸于“超級(jí)電容器”類，其實(shí)EEStor電容器采用高介電常數(shù)材料儲(chǔ)能，為標(biāo)準(zhǔn)的法拉第電容器，可按法拉第電容器原理設(shè)計(jì)。所謂“超級(jí)電容器”靠正負(fù)電極對(duì)壘儲(chǔ)能，為非法拉第電容器。

EEStor電容器能夠成為高儲(chǔ)能密度的電容器，是因其介電質(zhì)膜的介電常數(shù)達(dá)19818，膜的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)350 V /μm，膜的厚度可保證電容器的工作電壓達(dá)3500V。按法拉第電容器原理即可計(jì)算出其儲(chǔ)能密度，EEStor號(hào)稱達(dá)280Wh/kg。中科院也對(duì)此類電容器進(jìn)行了研究，所制備的介電質(zhì)膜的介電常數(shù)比EEStor更高。但是至2009年后已無(wú)EEStor的新報(bào)道，有傳是奧巴馬下令將此技術(shù)列入了美國(guó)國(guó)家機(jī)密。

單體EEStor電容器的外形與Sakti3電池相類似，結(jié)構(gòu)為兩電極間夾一薄層介電質(zhì)層。因單體電容器的工作面積小，需將多個(gè)單體電容器并聯(lián)才能得到大儲(chǔ)能量，致制備復(fù)雜；另外，EEStor電容器設(shè)計(jì)于3500V電壓工作，用于電動(dòng)汽車存在安全隱患。EEStor介電質(zhì)膜的材料為560nm粒度的高介陶瓷粒，用4%聚脂粘結(jié)成膜，高介陶瓷粒是氧化鋁包覆的鈦酸鋇，對(duì)材料的純度要求達(dá)5個(gè)9，制備復(fù)雜。

本人研究了一種新型高介電常數(shù)材料，可制備介電常數(shù)高達(dá)105的膜。材料制備簡(jiǎn)便、成本低，已申請(qǐng)發(fā)明專利。作者的一個(gè)專利還解決了制備大比表面積電容器的難題。因膜的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于EEStor介電膜，當(dāng)采用作者研究的電極制備儲(chǔ)能密度高達(dá)400Wh/kg的電容器時(shí)，電容器工作電壓可小于100V，使電容器更適合于作電動(dòng)汽車的動(dòng)力儲(chǔ)能器。

總結(jié)

采用何種技術(shù)可大幅提升電池能量密度？即通常所問(wèn)的“超級(jí)電池”在哪里？作者認(rèn)為，液流電池可用于新能源發(fā)電和電網(wǎng)，但不宜用于電動(dòng)汽車。能用于電動(dòng)汽車的“革命性突破”的“超級(jí)儲(chǔ)能器”，只有采用“高能儲(chǔ)存材料”大電流工作儲(chǔ)能器，或可高電壓工作的儲(chǔ)能器。高能儲(chǔ)存材料鋰硫化合物和鋰硅化合物制備的固態(tài)電池，可稱為“超級(jí)電池”，而高能儲(chǔ)存材料中的高介電常數(shù)材料制備的高儲(chǔ)能密度固態(tài)電容器，因已有正負(fù)電極對(duì)壘的非法拉第電容器在先稱為“超級(jí)電容器”，我們只好將其稱為“高密薄膜電容器”，以資與傳統(tǒng)低密度儲(chǔ)能的薄膜電容器相區(qū)別；而高工作電壓的高儲(chǔ)密度能的“超級(jí)電容器”，則稱為“高密超級(jí)電容器”，以資與儲(chǔ)能密度小的“超級(jí)電容器”相區(qū)別。

因而作者提出制備“超級(jí)電池”的路線有三個(gè)方向：a.“超級(jí)電池”；b“高密薄膜電容器”；c.“高密超級(jí)電容器”。作者的相關(guān)研究成果已申請(qǐng)專利。因這三類“超級(jí)儲(chǔ)能器”與西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的“超級(jí)電池”一樣，圴使用了石墨烯，因而作者還專門研究了低成本、快速制備還原態(tài)石墨烯的技術(shù)與之配套，低成本、快速制備還原態(tài)石墨烯的技術(shù)也已申請(qǐng)專利。

中國(guó)的“動(dòng)力電池革命性突破”的路線圖在哪里？中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)人材濟(jì)濟(jì)，資金雄厚，但沒(méi)見(jiàn)有人提出一個(gè)路線圖(也有可能已提出但保密不公開(kāi))。但是還有人懷凝西班牙的“超級(jí)電池”是否存在，一些權(quán)威還把提高電池儲(chǔ)能密度寄希望于現(xiàn)有的磷酸鐵鋰和三元鋰電池的改進(jìn)。中國(guó)今年已有幾百億資金投入動(dòng)力電池?cái)U(kuò)產(chǎn)，一方面是因?yàn)閯?dòng)力電池市場(chǎng)緊缺，但也是賭幾年內(nèi)“動(dòng)力電池革命性突破”還不可能出現(xiàn)。

現(xiàn)在該是選定方向，集中人力、物力向“動(dòng)力電池革命性突破”發(fā)起進(jìn)攻的時(shí)候了。再拖下去，中國(guó)電動(dòng)汽車將會(huì)完全失去彎道超車的機(jī)會(huì)。

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