新电池技术满足电气化和可持续发展的需求

虽然世界正朝着逐步电气化的方向发展，特别是在交通运输领域，但对能够提供高效率、减小尺寸和重量以及所用原材料的高可回收性的新型电池解决方案的需求不断增长。

虽然电动汽车是电池技术发展的驱动力之一，但还有其他应用，例如移动和消费设备，高产量证明了对高效和可持续电池技术的投资是合理的。

本文将介绍两家领先的电池技术创新公司的最新发展和趋势。第一个是 Theion，一家总部位于柏林的公司，汇集了一支由顶尖科学家、工程师和企业家组成的团队。Marek Slavik 是世界领先的化学科学家和电池专家之一，担任 Theion 的联合创始人兼首席技术官，新宣布的首席执行官 Ulrich Ehmes 将利用他在电池制造领域长达十年的经验来扩大生产规模。第二家公司是OneD Battery Sciences，该公司开发了基于使用特殊硅纳米线的Sinanode技术，显着提高了石墨节点的性能。

Theion的水晶电池

Theion 是一家将锂硫晶体阴极技术带出实验室的公司，该公司开发了一种新技术，与现有的锂离子电池相比，该技术的续航里程增加了三倍，但所需的能量却只有八分之一。

通过使用硫（图 1）作为阴极材料，可以降低成本，同时可以将能量密度提升到一个全新的水平。硫 (Li 2 S) 是一种非常有前景的正极材料，与其他正极材料（如 NMC811）的 20 欧元/千克相比，成本仅为 0.20 欧元/千克，并且具有 3 倍至 5 倍的理论能量密度。

图 1：锂硫晶体

“当锂硫转化为不同的结构时，就会发生真正的巨大变化，”Ehmes 说。“我们在其顶部放置一层碳纳米管[渗透网络]，定向碳纳米管，然后在碳纳米管周围结晶整个硫，获得碳纳米管的固体结构，其周围有硫的晶体结构。添加了一些其他工艺步骤，以使阴极准备好集成到电池中，这是一个完美的阴极。”

由于该工艺非常灵活，因此可以创建任何几何形状的晶圆（根据客户的产品需求进行调整），即使建议使用六边形以提高空间效率。

Theion 的晶体电池有几个优点，包括高容量（高达三倍的重量和体积能量密度）、与最先进技术相似的循环寿命、快速充电能力、高安全性（非易燃组件）和低成本（硫成本为 NMC811 成本的 1%）。此外，硫是一种工业副产品（不需要有害的采矿），并且回收安全且便宜，这意味着它也是高度可持续的。

“我们的细胞化学的目标应用将是所有移动设备和车辆，其中重量和体积很重要，”Ehmes 说。“然而，我们要解决的第一个市场是太空，这是一个需要轻质电池的利基市场。”

在商用火箭中，其目的是用由 Theion 晶体电池供电的电动泵取代燃料泵。首批研发样品将于今年年底推出。2023 年，Theion 计划向 eVTOL 客机（空中出租车）和手机、笔记本电脑和可穿戴设备等所有移动设备提供首批样品。2024 年，重点将转向电动远程客机和电动汽车——最苛刻的市场。

在电池中，阴极负责能量密度，而阳极负责快速充电。水晶电池的另一个优点是它也很容易充电，因此快速充电不是问题。

“至关重要的下一步是工业化和规模化生产，”Ehmes 说。“拥有正确的材料并能够加工它是不够的。应该有可能从小型到大型并最终转移到千兆工厂规模的生产线。此外，以硫为正极材料，将有足够的正极材料来满足市场需求而不会出现问题。”

OneD 扩展其业务

总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的全球创新领导者 OneD Battery Sciences 开发了 Sinanode 技术，该技术使用特殊的硅纳米线显着改善石墨阳极，并提高 EV 电池的能量密度、寿命和成本效率。

从 5 月开始，OneD 的第一批试点工厂将在华盛顿州的摩西湖向 OEM 开放。每个试点工厂使用一台 CVD 机器，每年可生产约 100 吨材料（图 2）。试点工厂的目的是，OneD 客户为了使他们的电池合格，首先必须有足够的数量来制造所谓的优化电池。OneD 已开发出具有 SINANODE 阳极和商用阴极的原型电池，采用 4690 EV 电池格式（直径 46 毫米，长度 90 毫米）。在一个典型的电动汽车电池组中，大约有 1000 个这样的电池。在优化 EV 电池原型之后，预生产认证过程通常需要在生产商用车之前进行质量测试。鉴定过程通常需要多达 10,000 个电池组。如果每个电池组的储能为 100 kWh，认证过程需要 100 MWh 的阳极材料，OneD 表示，他们可以通过安装在 Moses Lake 的一台新 CVD 机器轻松生产这些材料。完整的生产计划，单机最大年产量约为340兆瓦时。据 OneD 称，从资本和可变成本的角度来看，这是生产硅碳负极材料的最有效方法。

图 2：Moses Lake 的 Sinanode 中试工厂

OneD 的首席执行官 Vincent Pluvinage 表示：“我们目前正在帕洛阿尔托生产工厂进行所有生产。” “但是，这不是这样做的理想场所，因为它不是工业环境，我们受到很大限制。这就是为什么我们决定在摩西湖建造我们的第一个试验工厂。”

目前，OneD 还在执行层面与电动汽车制造商合作，而不仅仅是在技术层面，因为他们面临着巨大的挑战：基本上在每个大陆创建供应链。未来几年所需的材料量是巨大的。因此，OneD 将与亚洲、欧洲和美国的石墨供应商合作，增强他们的石墨以适应战略需要。

“供应是一个大问题，”OneD 表示。“到 2025 年，将没有足够的电动汽车电池生产商来满足市场需求。不仅是制造电动汽车电池的工厂；它也是用于 EV 电池的所有材料。”

锂离子电池有两个主要用例。第一个是移动锂离子电池，用于为汽车供电。另一种是用于风能和太阳能等可再生能源的锂离子电池。考虑到它们的规模，所有这些市场都需要平衡。不同的是，在可再生能源领域，电池是固定的，所以我们可以使用剩余容量较少的电池。OneD 通过为每个电动汽车客户提供自己的石墨加工和添加硅纳米线的试验设施，在不影响每个电动汽车客户的供应链的情况下优化不同的新阳极材料。展望未来，OneD 预计与众多汽车合作伙伴的试点工厂保持同步，

审核编辑 黄昊宇