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单位体积内的包含的能量翻番的电池来了

发布时间:2024-05-25 15:02:52   来源:媒体公告

  前不久,材料创新与应用公司Lyten已向Stellantis和其他美国和欧盟汽车制造商发运6.5 Ah锂硫(Li-S)袋式电池A样进行测试。

  Lyten发运的锂硫袋式电池样品(3C放电倍率,25°C)是美国和欧洲汽车制造商对锂硫电池进行商业评估的重要一步。

  “这一里程碑是莱顿团队多年辛勤工作和创新的结果,我们才起步逐步扩大锂硫电池性能,”莱顿首席执行官兼联合创始人丹·库克(Dan Cook)说。

  虽然锂电池一直是电池行业的明星,但容量、安全等固有的不足,促使人们不断在寻找替代品。钠离子电池性能与锂离子电池相似,但因钠资源的丰富而成本更低;铝空气电池继续因其高单位体积内的包含的能量潜力而引起人们的关注;能量密度更大,重量更轻、安全性更好的锂硫电池也吸引了创新者和投资者的兴趣。

  今年年初发表于《IEEE Access》杂志上的一项研究表明,在对锂离子电池、硅聚丙烯腈(SiCPAN)电池、硅纳米线(SiNW))电池、全固态电池和锂硫电池五种电池做多元化的分析后发现,锂硫电池是最环保的电动汽车电池。

  首先,是单位体积内的包含的能量。Lyten 声称,其锂硫配方的电池单位体积内的包含的能量是三元锂(镍钴锰)电池的两倍。就电动汽车应用而言,这意味在相同的体积和重量下,锂硫电池能存储并供应更多的电能,为电动汽车提供更长的行驶里程。据第三方测算,到2028年,更换Lyten的锂硫电池后,五大领先的电动汽车品牌整车电池可平均减重170kg。

  其次,是更安全,这种LytCell EV锂硫电池对过充和穿刺失效模式有很强的抵抗力,无需使用可能会引起失控热反应的氧化物。

  第三,是成本更低。Lyten 使用硫和专有的3D石墨烯(3D Graphene)制造阴极,这是一种从天然气中提取的专利可调低碳超材料,已经通过独立验证,在大规模生产时实现了碳中和。

  采用3D石墨烯,就无需在阴极中使用镍、钴和锰等关键矿物质。锂硫电池阳极是一种锂金属复合材料,无需石墨。因此,锂硫电池材料和制造成本,即使与低成本的磷酸铁锂(LFP)相比,也具有竞争力。

  第三是减少碳排放。根据 Lyten 的计算,去掉钴和其他关键材料后,与电池制造相关的能源将大幅度减少。LytCell EV锂硫电池的碳足迹,估计比同类最佳的锂离子电池低60%以上,比固态电池低40%。而Lyten独特的热塑性配方LytR,可减少高达50%的材料用量,同时保持或提高强度和性能,从而需要更少的聚乙烯材料,减少碳足迹高达55%。

  第四是供应链可靠性。Lyten 表示,从阴极和阳极中去除镍、钴和石墨意味着大规模简化供应链,使得电池可以在任何地方生产,并且材料清单比锂离子电池降低了50%。

  Lyten的首席电池技术官西莉娜·米科拉杰克(Celina Mikolajczak)强调了这项技术的更广泛影响:“世界需要一种实用的大众市场电池,这就是我们用锂硫技术所建造的电池。大规模电气化和净零目标需要更高单位体积内的包含的能量、更轻重量和更低成本的电池,这些电池可以大规模地使用当地丰富的材料来生产和供应。”

  锂硫电池虽然在理论上展现出卓越的性能,但在现实操作条件下面临与循环寿命和稳定能力有关的问题,但Lyten表示,它已经解决了其锂硫电动汽车电池的这些挑战。

  Lyten将其专有的3D石墨烯结构集成到Li-S电池的阴极中。这种结构增强了电池的整体稳定性和导电性,解决了常见的问题,如多硫化物穿梭效应,这通常会导致Li-S电池的快速容量损失。

  来自阴极的长链多硫化物扩散到阳极,并在那里进一步还原为较短链的多硫化物,然后扩散回阴极,并再次被氧化为长链多硫化物▼

  所谓多硫化物穿梭效应,指的是在充放电过程中,阴极产生的多硫化物(Li2Sx)中间体溶解到电解液中,不仅会导致正极硫活性物质的流失,还会通过隔膜扩散到阳极,被锂还原生成不溶的Li2S2和Li2S附着在阳极表面。

  这种穿梭效应不仅降低了硫的利用率,限制了比容量,还会降低锂硫电池的循环稳定性,最终造成了电池中有效物质的不可逆损失,更可能会导致电池里面结构的微妙变化,导致电池使用寿命的衰减。

  为了解决多硫化物穿梭效应的问题,研究者们提出了多种策略,而Lyten在其锂硫电池的阴极中采用了其专利的3D石墨稀结构——Lyten 3D Graphene™。

  Lyten 3D Graphene™在许多有价值的性能上与2D石墨烯相似,但其化学和电气活性要高几个数量级,同时其三维形态使其具有高度可调性。开发3D石墨烯材料的工艺和设备是Lyten的专利技术发明,已获得专利。

  这种结构提高了电池的整体稳定性和导电性,解决了常见的多硫化物穿梭效应问题。这种设计还能够在一定程度上帮助提高电池的整体单位体积内的包含的能量,同时潜在地减少跟着时间的推移而发生的降解。

  3D石墨稀是实现Lyten锂硫电池的关键材料创新,是一种脱碳超级材料。该材料是通过将温室气体甲烷分解成固体碳和清洁氢气来获取的。其独特强度、重量和电导性可用于在最难减碳的行业(包括汽车、航空航天、建筑、工业和物流)的产品制造。

  此外,Lyten还使用锂金属复合材料作为阳极,而不是传统的石墨,提高了阳极的稳定性和效率,还有助于提高电池的整体单位体积内的包含的能量,同时有可能跟着时间的推移减少劣化。

  Lyten是一家2015年成立的材料创新与应用公司,由来自汽车、能源、电池、半导体、制造和国防领域的一群经验比较丰富的高管领导。该企业具有超过415项已授予或悬而未决的专利,目前正在加利福尼亚州圣何塞生产Lyten Graphene™材料及LytCell™电动汽车电池。

  其在加州圣何塞的半自动化试生产线月上线,可使用标准的锂离子制造设备和工艺生产锂硫电池。该生产线能够为汽车原始设备制造商提供 A 样和 B 样,并为小批量客户提供完全商用的电池。

  该公司既生产锂硫袋式电池,也生产圆柱形电池(2170和18650),目前正在向客户发运6.5 Ah袋式电池样品。今年晚些时候,Lyten计划今年晚些时候发运圆柱形A样品供评估。

  Lyten的第一座大规模工厂目前正在与特纳建筑公司(Turner Construction)和SSOE合作设计,用来生产汽车动力电池C样品及更高级别的电池。

  至于谁将成为这些新型电动汽车电池的早期采用者,Lyten 在新闻稿中提到了 Stellantis 公司,该公司的潜在交付目标还包括 20 多家尚未命名的客户。

  目前,Lyten已经向一家美国大型消费电子公司运送了样品,计划在5月向美国国防部交付电池,并计划在2024年第二季度和第三季度向20多个潜在客户交付样品进行商业评估。Lyten目前的目标是今年向航空航天和国防客户提供商业用途电池。

  美国能源部也向Lyten提供了400万美元资金,以加速其研发进程。根据这项拨款,Lyten 将与斯坦福大学、德克萨斯大学奥斯汀分校以及 Arcadium Lithium 公司(由 Livent 和 Allkem 合并而成)合作,旨在加速锂硫电池的生产。

  从运送A样到主机厂测试,其实离商业化生产还有非常长的路要走,因为A样满足基本功能,B样电性能、循环性能、尺寸满足规定的要求,C样需要满足安全要求,到了D样才可以做到量产要求。

  不过,对于新型电动汽车电池来说,这仍然是一个重要里程碑。正如Lyten所描述的,A样装运 “启动”了通往大众市场的一系列步骤。

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