 當(dāng)前最高能量密度電池！打敗特斯拉4680，打破動(dòng)力電池能量密度天花板，6分鐘充滿80%。Amprius完成其第一批電芯能量密度達(dá)450Wh/kg的鋰電池，推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)商業(yè)落地。來(lái)自斯坦福的硅納米線技術(shù)加成，Amprius或?qū)嚻饎?dòng)力電池行業(yè)一池春水。 文丨智駕網(wǎng) 黃華丹 比特斯拉4680的能量密度還高50%！ 外媒消息，美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Amprius已生產(chǎn)其第一批高能量密度鋰電池，其電芯能量密度達(dá)到 450 Wh/kg，1150 Wh/L 。 作為參照，備受矚目的特斯拉4680電池，作為目前高能量密度、低成本電池的代表，其電芯能量密度約為300Wh/kg。 而數(shù)據(jù)顯示，2021年三元鋰電池普遍能量密度徘徊在150Wh/kg左右。 顧名思義，能量密度越高，根據(jù)所使用的單位，儲(chǔ)存同樣電量的電池重量或體積就越小。 在一輛車留給電池的空間或重量確定的前提下，能量密度越高，儲(chǔ)存電量就越多，續(xù)航里程也就越長(zhǎng)。 就當(dāng)前形勢(shì)而言，能量密度幾乎是目前電池行業(yè)，甚至是電動(dòng)汽車行業(yè)向前大跨步最明顯的突破口。 但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破并不容易。 而Amprius，這家?guī)缀趺灰娊?jīng)傳的創(chuàng)業(yè)公司憑什么能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的跨越？ 其秘訣就在于Amprius使用的硅納米線負(fù)極材料。 為什么使用硅納米線負(fù)極材料能實(shí)現(xiàn)能量密度的大幅提升？ ——01—— 硅納米線技術(shù)原理 要解答這個(gè)問題，我們先來(lái)看一下鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)。 鋰離子動(dòng)力電池一般由負(fù)極集流體，負(fù)極，隔膜，正極，正極集流體，極耳，電解液，絕緣片，外殼等構(gòu)成。  鋰電池的運(yùn)作原理是： 充電時(shí)，正極上的鋰原子脫去電子，被氧化成鋰離子，然后在電解液中運(yùn)動(dòng)，跑到負(fù)極，與流經(jīng)外部電源的電子互相結(jié)合，還原成鋰原子，嵌入到負(fù)極材料的微孔中。 而放電則是一個(gè)相反的過(guò)程。鑲嵌在負(fù)極材料中的鋰原子脫去電子，被氧化成鋰離子，回到電解液中，運(yùn)動(dòng)到正極，與流經(jīng)的電子結(jié)合，再度還原成鋰原子。 因而，提高正負(fù)極材料中嵌入的鋰原子量也就能提高整個(gè)電芯的儲(chǔ)電量。 正極材料常見的有鎳鈷錳酸鋰和磷酸鐵鋰，也就是常說(shuō)的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。 而當(dāng)前的負(fù)極材料則以石墨為主，也有部分使用鈦酸鋰和硅基材料。 目前以石墨為主的碳負(fù)極材料克容量達(dá)到360mAh/g，已經(jīng)非常接近理論克容量（372mAh/g），提升空間不大。 而硅基負(fù)極材料的克容量達(dá)3500mAh/g，其儲(chǔ)鋰能力幾乎達(dá)到碳材料的10倍。  理論上使用硅基負(fù)極材料的鋰電池能量密度可達(dá)到碳材料鋰電池的十倍。 但問題在于，放入電池中的硅會(huì)在充電過(guò)程中吸收帶正電的鋰原子而膨脹，然后在使用過(guò)程中隨著鋰從硅中抽出而收縮。這種膨脹/收縮循環(huán)通常會(huì)導(dǎo)致硅（通常以顆粒或薄膜的形式）粉碎，從而降低電池性能。 為解決這個(gè)問題，Amprius使用了硅納米線技術(shù)。 什么是硅納米線技術(shù)？  Amprius的硅納米線技術(shù)是在電池極片上直接生長(zhǎng)硅納米線，其在吸收鋰原子后膨脹至正常體積的四倍，但不同于一般的硅結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的硅材料可以通過(guò)軸向膨脹很好的釋放應(yīng)力，不會(huì)造成納米線的龜裂或破損，從而阻止了電極的粉末化。  此外，使用硅納米線的負(fù)極厚度僅為碳材料負(fù)極厚度的一半。 由于硅是能量密度最好的材料，因而使用100%硅材料意味著可以實(shí)現(xiàn)最高能量密度的鋰離子電池。 而且，Amprius的硅納米線電池具有出色的循環(huán)壽命，這在包括美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和主要航空航天公司在內(nèi)的多個(gè)組織的實(shí)際使用中已得到證明。 Amprius此次生產(chǎn)的第一批硅納米線鋰電池將供應(yīng)給一家高空偽衛(wèi)星公司。 ——02—— 緣起與應(yīng)用 Amprius的硅納米線技術(shù)源自斯坦福。 2007年，時(shí)為斯坦福材料科學(xué)與工程系助理教授的崔屹在Nature Nanotechnology上發(fā)布了一篇題為《使用硅納米線的高性能鋰電池負(fù)極（High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires）》的論文，詳細(xì)闡釋了硅納米線技術(shù)在鋰電池中的應(yīng)用。  2008年，崔屹與資深風(fēng)投合伙人Mark Platshon共同成立Amprius（安普瑞斯）。其董事會(huì)成員包括諾貝爾獎(jiǎng)得主、前美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文。 如今，年僅四十多歲的崔屹不僅是斯坦福終身教授，還是四家創(chuàng)業(yè)公司的創(chuàng)始人。 Amprius總部位于硅谷，并在無(wú)錫與政府旗下的投資公司無(wú)錫工業(yè)發(fā)展集團(tuán)合資建立大型電池工廠安普瑞斯（無(wú)錫）有限公司。 Amprius的投資人包括硅谷風(fēng)投公司Trident Capital和Kleiner Perkins、中國(guó)私募股權(quán)公司軟銀賽富、斯坦福大學(xué)、空客（Airbus）等。此外，谷歌前CEOEric Schmidt也是公司投資人之一。 公司現(xiàn)任CEO孫康博士曾擔(dān)任霍尼韋爾副總裁，并協(xié)助組建了晶澳太陽(yáng)能有限公司，后者目前是全球最大的太陽(yáng)能電板制造商。  2021年12月，Amprius宣布在電池充電效率方面取得突破，只需 6 分鐘即可實(shí)現(xiàn) 0% 至 80% 的充電率。公司正在努力實(shí)現(xiàn)每年數(shù)百兆瓦時(shí)的電池量產(chǎn)率，并預(yù)計(jì)將在 2024 年開始大規(guī)模生產(chǎn)。 其COO Jon Bornstein表示，具有450Wh/kg高能量密度的鋰電池將支持具有更高功率需求的航空航天產(chǎn)品，包括新的eVTOL飛機(jī)（Electric Vertical Takeoff and Landing，電動(dòng)垂直起降，也稱為飛行汽車），可延長(zhǎng)飛行續(xù)航時(shí)間。此外，他還表示，Amprius預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候生產(chǎn)出首批 500 Wh/kg 的電池。  Bornstein還表示，Amprius正在為無(wú)人機(jī)應(yīng)用開發(fā)電芯，并且已與一家未公開的航空公司簽訂合同。此前，Amprius就已為空客的Zephyr太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)供應(yīng)電池。 此外，據(jù)《財(cái)富》報(bào)道，美國(guó)軍方也在使用Amprius的電池測(cè)試其在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用。 而空客的合約對(duì)Amprius來(lái)說(shuō)既是救生索，也是警示牌。“我們給空客開出了天價(jià)，... 這種價(jià)格是不可持續(xù)的?！盋EO孫康表示。 如果要大規(guī)模應(yīng)用在乘用車上，昂貴的成本顯然是不可接受的。 在2020年8月的特斯拉電池日之前，馬斯克在推特上表示特斯拉會(huì)在3-4年內(nèi)批量生產(chǎn)壽命更長(zhǎng)、而且能量密度提高50%也就是達(dá)到400wh/kg的電池，當(dāng)時(shí)Model 3使用的松下 2170 電池電芯能量密度為260wh/kg。  隨后，特斯拉更是于9 月 19 日在電池日活動(dòng)注冊(cè)頁(yè)面上用了硅納米線結(jié)構(gòu)圖作為背景圖片。 加之Amprius的公司地址就在特斯拉對(duì)面，彼時(shí)關(guān)于特斯拉將要收購(gòu)Amprius的猜測(cè)一時(shí)四起。 但在電池日當(dāng)天，這一技術(shù)并未亮相。 馬斯克更是在推特上直言，特斯拉與Amprius之間什么都沒發(fā)生。  對(duì)于馬斯克來(lái)說(shuō)，成本始終是其考慮的首要因素之一。 據(jù)華寶證券數(shù)據(jù)，目前420-450mAh/g 容量的硅基負(fù)極材料(由硅基材料與石墨混合而成)市價(jià)在11-15萬(wàn)/噸之間，中間值約為12 萬(wàn)/噸，而高端石墨的價(jià)格僅有7-8 萬(wàn)/噸。 也許當(dāng)使用硅基材料作為負(fù)極材料的成本能控制到與石墨不相上下時(shí)，Amprius與特斯拉之間終歸會(huì)發(fā)生點(diǎn)什么。 ——03—— 動(dòng)力電池的未來(lái)：固態(tài)電池還是硅納米線負(fù)極？ 業(yè)界普遍認(rèn)為，目前鋰離子電池的發(fā)展已經(jīng)到了極限。想要進(jìn)一步提高續(xù)航里程，勢(shì)必要在技術(shù)上進(jìn)行大的革新。 與Amprius發(fā)布的硅納米線負(fù)極電池一樣，此前業(yè)界熱傳的固態(tài)電池一大目的也是為了提升能量密度。 一般認(rèn)為液態(tài)鋰電池的能量密度達(dá)到300Wh/kg已經(jīng)是非常出色的表現(xiàn)，而固態(tài)電池普遍可以達(dá)到300-400Wh/kg。 固態(tài)電池與目前主流傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)，它是用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。 除了能量密度高，由于固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無(wú)電解液走漏、不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等，固態(tài)電池具有更高的安全性。 而且，由于固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，還可大大提升鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。 但是，雖然固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，其缺點(diǎn)也是致命的，并直接導(dǎo)致了固態(tài)電池的量產(chǎn)困難。 由于固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力低，因而會(huì)造成界面阻抗過(guò)大的問題。 另一個(gè)問題依然是成本過(guò)高。 業(yè)界普遍認(rèn)為，固態(tài)動(dòng)力電池要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，至少需要在2025年之后才可能實(shí)現(xiàn)。 而今天，Amprius已憑借其硅納米線技術(shù)成功生產(chǎn)第一批能量密度達(dá)到450Wh/kg的新一代鋰電池。 雖然也許還無(wú)法做到低成本量產(chǎn)，但這無(wú)疑也為行業(yè)提供了另一種可能的方案。 動(dòng)力電池后續(xù)將會(huì)怎樣發(fā)展，且讓我們拭目以待。
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