富锰阴极使锂电池容量翻番


  加州有一家公司名为恩维亚系统公司(Envia Systems),它正在开发一种电池,有望存储两倍的锂离子电池能量,这种电池通常用于电动汽车。

  恩维亚公司已获得的投资是来自通用汽车公司,通用汽车可能成为最大买家之一,会购买锂离子电池用于汽车,这是未来几年的事情,这要感谢一份规划好的时间表,其中的插入式汽车也包括雪佛兰伏特(Chevy Volt)。这家汽车制造商的风险投资机构就是通用汽车风险投资公司(GM Ventures),上月它宣布以700万美元投资这家新创公司。

  恩维亚公司说,它的电池可降低插入式车辆的成本,因为减少了所需的昂贵金属,也减少了所需电池数量,但汽车电池组仍可存储给定数量的能量。在目前的电池中,有一种不平衡存在于两个电极之间:阳极配置可接受更多的电荷,远远超过阴极所能够提供的。恩维亚公司的电池使用的阴极富含锰(manganese),这使它能够容纳更多的电荷。

  埃尔顿·凯恩斯(Elton Cairns)是加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)化学工程教授,他说,锰基阴极应确实有助于降低电池成本。“大多数其他氧化物电池中都含有钴,这就昂贵了,”他说。但是,已经有一些电池很少用或根本不用钴。

  恩维亚公司的诀窍是包含高容量的富锰阴极和一层层的复合结构(制备采用两个不同的分层组件),所依靠的技术授权来自阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)。

  据通用汽车风险投资公司总裁乔恩·劳克纳(Jon Lauckner)说,通用汽车,恩维亚等公司已获得不同专利的许可,都是来自一个“系列”的知识产权,涉及到富锰分层状的复合阴极技术。

  通用汽车目前型号的伏特汽车使用锂离子电池,这种电池的制备采用锂锰尖晶石阴极(spinel),“尖晶石”指的是三维排列原子的材料。阴极材料具有活性成分,通过它锂离子就可移动,电池就可充电或放电,阴极材料也具有惰性成分,这有助于稳定活性物质,并延长电池寿命,这是电动汽车电池的一项重要品质。

  恩维亚公司的阴极采用相对廉价的材料。虽然“成本是在同样的范围,就像目前电池制造商所使用的成本,”劳克纳说,但是,这种材料可以带来三分之一的能量密度提升,这种电池层次的提升是相对于现在市场上的水平而言。这一数字依据的数据是来自一个样机,恩维亚公司设计这一样机是为了通用汽车的特定车辆应用。

  恩维亚公司也已开始研究更高能量密度的阳极,400万美元的拨款是来自美国能源部高级研究计划局能源处(Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy)。去年,与阿尔贡国家实验室合作,恩维亚公司着手开发硅碳纳米复合阳极,他们的想法是使这种阳极集成高容量阴极,并设计工序扩大生产,实现高产量。

  在未来三年内,恩维亚公司希望开发一种电池,以用于全电动汽车。“我们将推动能量密度升高,要尽我们所能,”这需要调整一些变量,比如涂层,孔隙率(porosity)和材料成分,说这话的是恩维亚公司联合创始人和业务开发主管迈克尔·辛库拉(Michael Sinkula)。恩维亚公司荣获一份365万美元的合同,那是在去年12月,就是来自美国先进电池联盟(Advanced Battery Consortium),这一联盟包括克莱斯勒,福特和通用汽车,合同就是要承担这一计划。

  最终,恩维亚公司的目标是制备一种电池,这种电池的容量超过每千克400瓦小时,三倍于目前的车用电池,这是辛库拉说的。他说,恩维亚公司最好的实验室结果表明已超过每千克300瓦小时。但是,辛库拉相信,用一种新的阳极材料配合公司有潜力的阴极,更高的目标就会达到。

  “如果300是真实的,”凯恩斯说,“这将是一个显著的改进。”但是他说,这一性能需要证明,验证也需要第三方。甚至在独立验证之后,一个大大的问号仍然会笼罩恩维亚公司的承诺,就是提供更好的电池,直到公司开始大量生产电池。凯恩斯说,直到你具有“一定水平的工业生产,就是一年数千组电池,否则你真的没有机会测试这一范围的条件,”比如高温和低温,以及快速充电,这些都是一款商用产品需要承受的。