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马斯克唱衰竞争对手:撑不到一年半

来源:汽车商业评论(马晓蕾)2月27日 14:30

撰文 / 钱亚光
编辑 / 周 洲
设计 / 师 超
来源 / 24-m.com, www.businessupturn.com, CleanTechnical
作者 / Steve Hanley,Tushar Aggarwal

一直以来,汽车的动力电池有几大痼疾为人们所诟病。一是单次充电续航不够远,二是电池不安全,三是充电不够快,四是电池寿命不够长。

2月13日,美国初创电池企业24M宣布,他们开发出一种颠覆性的电池解决方案,彻底解决了锂枝晶问题,提高了的安全性、循环寿命和能量密度,可以生产续航达1600公里的电池组。

24M最新的电池解决方案主要包含三种技术,它们结合起来,完全解决了当前锂金属电池面临的挑战,并使下一代电池更高效、成本更低。

第一种技术是24M的 ETOP(Electrode-to-Pack,电极到包)封装方式,意思是电极直接集成到电池组中。目前的锂离子电池使用单个电池单元构建模块,再组成电池组,外壳内含有大量支撑金属和塑料,增加了重量和制造成本,降低了能量密度。

ETOP封装技术由于无需单独的电池单元和模块,有效提高了电池组的能量密度。它在降低成本的同时实现了最高的能量密度,封装效率可以超过70%,是当前最高的电池组级体积利用率。

第二种技术是24M Impervio隔膜技术,采用专有技术,从源头上阻碍金属枝晶的形成,减少电池短路和火灾的风险;它还能持续监测电池状态,能够在潜在短路发生之前检测到问题,并采取安全措施,包括安全放电和关机,以防止事故发生;它还能够找出有缺陷的产品,避免大规模产品召回。

24M Impervio技术可以与传统锂离子电池和锂金属电池集成,提供与24M SemiSolid电池相同的安全优势。

第一次测试中,用不锈钢故意污染阴极,导致标准电池在不锈钢枝晶成型后立即短路,而采用Impervio隔膜的电池在相同条件下成功抑制了不锈钢枝晶的形成,并且在超过800次循环后,其容量保持率超过了83%;第二次测试中,通过在阳极上暴露铜,刺激锂金属枝晶的形成,标准电池很快发生软短路,而采用Impervio隔膜的电池成功抑制了锂金属枝晶的形成,阴极和阳极之间没有软短路。▼

这种新型电池隔膜旨在适用于电动汽车和固定式储能系统的电池,目前已送样合作伙伴测试,24M预计在2024年实现量产,计划在2025年或2026年将Impervio推向市场,并表示已经与生产和许可合作伙伴合作。

而第三种技术Eternalyte是专门为锂金属电池开发的革命性新型电解质。这种专有的液体电解质配方将能够显著改善电动汽车、能源存储和消费应用中锂金属电池的循环寿命和速率能力,而且可以实现低成本。

目前主流锂离子电池采用石墨负极,理论容量只有372mAh/g,而锂金属负极高达3860mAh/g,被认为是锂电池的终极解决方案。

到目前为止,固态电解质(SSE)技术一直是那些试图商业化锂金属电池的首选,长期以来,锂金属电池一直承诺显著提高能量密度。然而,由于锂或其他金属枝晶引起的安全问题和短暂的不一致循环寿命,继续限制了锂金属电池的商业可行性,包括那些使用基于SSE技术的电池。而SSE的可扩展性、成本、脆弱性和循环电阻的变化是需要解决的其他问题。

24M独特的液体电解质Eternalyte与Impervio隔膜相结合可应对上述挑战。该组合可以防止所有金属枝晶的形成,并实现优异的循环寿命,同时对阴极活性材料具有一致且低的电阻,还可有效降低成本,为新的锂金属解决方案铺平了道路。

24M总裁兼首席执行官大田直树(Naoki Ota)说:“我们的任务是提供变革性的电池解决方案,克服关键的行业挑战。Eternalyte通过实现高循环寿命的锂金属电池,在实现这一转变方面发挥了关键作用。虽然我们的解决方案可以单独集成到常规电池产品中,但我们相信,当它们结合在一起时,会实现最显著的好处。它们可以共同提供一个具有成本效益和安全的每次充电可行驶1000英里(约1600公里)的电池组,使电动汽车能够完全与内燃机汽车竞争。”

喜人的测试结果

测试结果表明,采用24M Eternallyte电解质的锂金属电池,在1C充放电速率下循环次数超过500次,仍然保持了83%的容量;在20mA/cm2的电流密度下,Eternalyte液体电解质实现了2000小时的循环稳定性,而其他电解质的电池在250小时就发生了短路。▼

Eternalyte电解质有着以下优势,一是出色的循环稳定性,新电池单体能量密度为391 Wh/kg和887 Wh/L,电池包能量密度为350 Wh/kg和665 Wh/L。以1C放电/1C充电进行循环,电池可在500多次循环中保持83%的容量,意味着每次充电可行驶1000英里(约1600公里),整个生命周期内可以行驶80万公里。

二是显著的倍率性能改进,锂锂碱基电池的测试结果表明,在4C连续循环的情况下,相当于3000+次循环,而不会短路或增加电阻。24M认为,在20mA/cm2的电镀/剥离电流下,Eternalyte在液体电解质系统中实现了最高的循环稳定性。

24M三种技术的组合,不但能够大幅提高锂金属电池的循环寿命和速率能力,而且为使用传统工艺的电池制造商提供了灵活性,使他们能够将单个技术集成到当前的制造工艺中。虽然好处不明显,但这可以让制造商提高整体性能。

24M预计,将在2025年开始供应电动汽车用半固态电池。和以往的动力电池相比,其制造成本最高将缩减4成,有助于降低电动汽车的价格。

24M首席科学家兼联合创始人蒋业明(Yet-Ming Chiang)说:“对于传统的电池生产,基本制造工艺在30多年里没有改变。我们重塑了制造工艺和电池/包装设计,创造了一套完整的创新电池解决方案,使锂金属等下一代技术成为可能。”

雄厚的技术背景

24M由电池行业一些最重要的发明家、科学家和企业家创立和领导,主要致力于半固态锂电池的研发和生产,目前正在研发结构简单、使用半固态电解质的电池。

首席科学家蒋业明,1958年出生于中国台湾,其父亲是一名机车工程师。1964年,他随家人移民至美国。1980年,蒋业明在麻省理工学院(MIT)获得学士学位,1985年在同一所学校获得博士学位。获得博士学位后,他留校任教,现在是麻省理工学院材料科学与工程教授,2009年当选美国国家工程院院士。

他是一位在材料科学领域有显著贡献的学者,也是全球顶尖的电池研究人员之一,发表过300多篇论文,申请了100多项专利,担任多个政府和学术咨询委员会的职务。在汤森路透集团于2011年3月2日发布的2000-2010年全球顶尖一百材料学家名人堂榜单,他位于全球总排名第66位,华人排名第12位。

蒋业明在能源储存技术方面有重要研究成果,特别是在超级锂电池的开发上,他采用了铝、铌、锆等金属作为正极材料。此外,他还参与创办或为多家公司提供专业咨询,涉及领域包括电池技术、3D打印和超导材料等。

至今为止,他参与创立了7家初创公司,包括电池公司A123 Systems、24M、Form Energy、Desktop Metal、American Superconductor以及Sublime Systems等。

24M的总裁兼首席执行官大田直树是全球公认的锂离子电池专家,30年前在日本见证了这项技术的诞生。他与人共同创立了美国第一家锂离子电池制造商Quallion,服务于医疗和航空航天行业。随后,他担任电池制造商Enerdel的首席技术官和首席运营官,领导了HEV、PHEV、EV和电网存储产品线,并开发了1GWh的生产能力。

24M的执行主席兼联合创始人Throop Wilder是一位资深企业家,在通信和网络技术领域拥有丰富的经验。他曾是高端网络安全平台领导者Crossbeam Systems(已被BCSI收购)的联合创始人,以及电缆调制解调器系统供应系统的开发商American Internet(已被 Cisco Systems收购)的联合创始人。

14岁的初创公司

说是初创公司,其实24M已经有了14年的历史,比中国电动汽车新势力都早。2010年,24M创建于美国马萨诸塞州剑桥。

早在2015年,24M就首次公布其半固态锂离子电池的设计和制造方法,宣称其电池成本与传统电池的成本相差一半,但那时还属于半自动化试验设备阶段。

此后,24M将其技术授权给大众、富士胶片、Lucas TVS、安瓦新能源(Axxiva)和Freyr等公司。

2016年,24M与美国先进电池联盟(United States Advanced Battery Consortium ,USABC)签订了为期3年700万美元的合同,该研究的目标是到2019年底开发出能量密度为350Wh/kg的电池,该目标已在实验室中实现。

2018年12月,24M 宣布已在日本公司京瓷集团(Kyocera Group)和伊藤忠商事(ITOCHU Corporation)领投的D轮融资中筹集了2180万美元,并表示正在推进基于其半固态技术生产电池的多家工厂计划。

2019年2月,24M宣布已开发并交付商业上可行的高能量密度锂离子电池,其能量密度超过250 Wh / kg。同时,24M技术计划将其电池能量密度提升至350wh/kg甚至超过400Wh/kg。

2020年,24M宣布与日本京瓷集团达成合作,京瓷将采用24M技术的SemiSolid电极制造工艺生产的半固态锂电池开发其住宅储能系统Enerezza。同时,24M技术还与泰国电力和公用事业公司GPSC达成合作,后者将利用其半固态电池技术在泰国建设第一座半固态锂电池工厂。

2020年6月成立的安徽安瓦新能源科技有限公司,其半固态/固态电池技术也是来自24M,参股企业主要有泰国GPSC公司、奇瑞新能源、日本阿泽巴新能源汽车科技有限公司、国轩高科、众源新材、多氟多等企业。2022年12月,安瓦新能源半固态动力电池项目在山东省烟台市福山签约,项目总投资60亿元,建设10GWh半固态电池产业基地,主要生产能量密度达300-340Wh/kg的半固态技术体系动力电池和储能电池,应用于整车、储能、换电等市场领域。

2021年,24M与挪威初创电池公司Freyr签署了许可协议,授予Freyr基于24M当前和所有未来技术生产锂电池的权利。Freyr目前正在挪威建设一座年产32GWh的锂电池工厂,计划投资45亿美元(约合人民币295亿元)。

2022年初,大众汽车收购了24M 25%的股份,双方正式成为战略伙伴。下一步,大众集团将建立一家全资子公司,该子公司将与24M一起“开发一种用于汽车的半固态电池的生产技术”。

2024年,24M推出的ETOP封装技术、 Impervio隔膜技术以及Eternalyte电解质的强力组合,将把半固态电池技术向低成本、高能量、高安全和快充能力的目标又推进了一大步。

24M希望实现的下一代电池的快速、大规模生产可能会对整个社会的电池采用产生巨大影响——从电动汽车的成本和性能到可再生能源取代化石燃料的能力。