新的制造方法将锂离子电池成本减半

新的制造方法将锂离子电池成本减半
由麻省理工学院的研究人员和一家名为 24M 的衍生公司开发的一种先进的锂离子电池制造方法有望显着降低最广泛使用的可充电电池类型的成本，同时提高其性能并使其更易于回收利用。

“我们重新发明了这个过程，”麻省理工学院京瓷陶瓷教授、24M 公司的联合创始人（之前是电池公司 A123 的联合创始人）江叶明说。他说，现有的锂离子电池制造工艺自该技术发明以来的 20 年间几乎没有改变，而且效率低下，步骤和组件比实际需要的要多。

新工艺基于蒋及其同事（包括 POSCO 材料科学与工程教授 W. Craig Carter）五年前开发的概念。在这种所谓的“液流电池”中，电极是由液体携带并泵送通过电池的各个隔间的微小颗粒的悬浮液。

新的电池设计是液流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胶体悬浮颗粒组成。蒋和卡特将此称为“半固态电池”。

更简单的制造过程

这种方法极大地简化了制造过程，并且还使电池具有灵活性和抗损坏性，蒋说，他是《电源杂志》上 一篇论文的高级作者，他分析了在固体电池和液流电池之间进行选择所涉及的权衡，具体取决于它们的特殊应用和化学成分。

该分析表明，虽然液流电池系统适用于具有低能量密度的电池化学物质（对于给定重量只能存储有限能量的电池化学物质），但也适用于锂离子电池等高能量密度设备，流动系统的额外复杂性和组件会增加不必要的额外成本。

几乎在发表早期关于液流电池的研究后，蒋说：“我们意识到，利用这种可流动电极技术的更好方法是重新发明 [锂离子] 制造工艺。”

与将液体涂层涂敷到一卷背衬材料上，然后必须等待该材料干燥才能进入下一个制造步骤的标准方法不同，新工艺将电极材料保持在液态，并且不需要干燥阶段。该系统使用更少、更厚的电极，将传统电池架构的不同层数以及结构中非功能材料的数量减少了 80%。

将电极采用微小的悬浮颗粒而不是固结板的形式，极大地减少了带电粒子在材料中移动时的路径长度——这种特性被称为“曲折度”。一条不那么曲折的路径使得使用更厚的电极成为可能，这反过来又简化了生产并降低了成本。

可弯曲和可折叠

蒋说，除了简化制造足以将电池成本降低一半之外，新系统还生产出更灵活、更有弹性的电池。虽然传统的锂离子电池由易碎的电极组成，在压力下会破裂，但新配方生产的电池可以弯曲、折叠甚至被子弹穿透而不会失效。他说，这应该会提高安全性和耐用性。

迄今为止，该公司已在其原型装配线上生产了约 10,000 个电池，其中大部分正在接受三个工业合作伙伴的测试，其中包括泰国一家石油公司和日本重型设备制造商 IHI Corp。该工艺已获得 8 项专利，拥有 75 项正在审查的其他专利；24M 已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规模的安装，用于帮助平滑电力负载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。但蒋说，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，使用这种方法的工厂可以通过简单地添加相同的单元来扩大规模。对于传统的锂离子生产，必须从一开始就大规模建造工厂以降低单位成本，因此它们需要更大的初始资本支出。到 2020 年，Chiang 估计 24M 将能够以低于每千瓦时 100 美元的容量生产电池。

未参与这项工作的卡内基梅隆大学机械工程助理教授文卡特维斯瓦纳坦（Venkat Viswanathan）表示，新论文中提出的分析“解决了一个非常重要的问题，即何时构建液流电池与静态模型更好。……本文将作为做出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“可能会对 [锂离子] 电池制造造成同样的破坏，就像小型工厂对综合钢厂所做的那样。”

除了蒋，电源论文由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生 Brandon Hopkins、机械工程教授 Alexander Slocum 和 Kyle Smith 共同撰写。这项工作得到了美国能源部的支持。