起底“能量密度翻倍”的锂金属电池

即使拥有世界上最强大的汽车品牌，但是在新能源特别是动力电池方面欧洲已经落后于亚洲，为此，在政府和产业界的支持下，欧洲正在奋起直追

2020年10月，初创公司Lavle称它正在建造一座超级工厂，将于2023年底前在美国大规模生产下一代电池模块，最终产能约为每年7GWh。据称，下一代技术将彻底改变航空、航运、铁路、国防和石油天然气等行业的面貌。电池驱动的飞机、轮船和火车的新时代可能在未来几年开始，这要归功于能量密度是传统锂离子技术两倍的先进锂金属（lithium-metal）电池的大规模生产。

不可否认，即使拥有世界上最强大的汽车品牌，但是在新能源特别是动力电池方面欧洲已经落后于亚洲，为此，在政府和产业界的支持下，欧洲正在奋起直追。

欧美超级工厂大兴土木

近两年，欧美兴建生产各种储能电池的超级工厂的消息不胫而走，旨在抢锂电池一壁江山，为未来的脱碳未雨绸缪。

2019年11月，时值德国汽车制造商在电动汽车和电池领域投入巨资之际，特斯拉宣布将在柏林建造特斯拉德国研发中心，并计划在格林海德市建设一家超级工厂，方案已获德国联邦经济和能源部批准。该工厂将生产新型4680电池，能量密度较现有型号提升5倍，功率提高6倍，占用空间更小，能量消耗也更少。

2020年4月，初创公司Tesvolt在德国维滕伯格附近建立的光伏电池工厂开通运营，占地12000平方米的工厂每天可生产1MWh储能系统。据称它将是欧洲第一家生产商用电池储能系统的超级工厂，年产量超过1GWh。

2020年7月，瑞典电池公司Northvolt为欧洲锂离子电池工厂融资16亿美元，正在瑞典Skelleftea建设欧洲最大的电池工厂之一，欲在欧洲快速增长的电动汽车电池市场赢得25%的份额，帮助欧洲与亚洲电池企业抗衡。

2020年8月，法国电池生产商Verkor宣布，将于2023年在法国开通运营一家年产量为16GWh的锂电池生产工厂，并根据市场发展再将其年产量扩大至50GWh。该公司生产的电池将用于电动汽车（EV）和固定式储能领域。

Northvolt联合创始人兼首席执行官Peter Carlsson一语道破了天机：“电气化的势头比以往任何时候都更加强劲。我们的客户需要大量低二氧化碳排放量的高质量电池，欧洲必须建立一个完全区域化的价值链来支持他们。”

美国超级工厂野心初露

回到本文开头的美国下一代电池模块超级工厂，据悉，为这座150万平方英尺（14公顷）的设施提供的数百万美元资金已经“基本到位”。Lavle首席技术官Ben Gully博士解释说，将锂离子技术的能量密度提高一倍将创造大量的机会。此前，他曾在DNV-GL的海事咨询小组中领导了锂离子电池安全的研究，为全球最高锂离子电池安全标准的制定奠定了基础。

Ben Gully博士

据介绍，Lavle正在为其大型锂金属电池（LMB）和固体电解质电池（SEB）储能系统设计和准备原型储能系统，该系统利用日本3DOM开发和提供的电池。

使用锂金属作为电池负极被称为电池技术的“圣杯”，它提供的好处远远超过了单独使用固体电解质，且产生的能量密度远高于目前其他商用锂离子电池。具有这些特性的大容量电池已经在3DOM和Lavle实验室中运行。

这些电池采用3DOM的隔膜技术，不仅有利于LMB和SEB（钝化电池）电池的功能，而且使这些电池的安全水平大大超过目前最先进的锂离子电池。Lavle的SEB和LMB技术已经在全尺寸大容量电池中实现了420Wh/kg的能量密度，是传统锂离子电池的两倍多。与需要高温的竞争解决方案相比，Lavle的LMB和SEB可以在25℃环境温度提供广泛商业应用所必需的安全特性。

Lavle电池实验室的技术员测试3DOM电池

Gully解释说：“如果你有一辆续航里程为300英里的电动汽车，就可以用同样大小和重量的电池变成续航里程600英里的电动汽车。或者如果你只需要300英里里程，那么你可以把电池重量减半，这样你的车性能会更好。可以想象，能量密度开辟了我们现在甚至无法想象的全新应用和电池用例。”

他表示，一旦供应链建立，电池规模化生产，其锂金属电池将能够实现每千瓦时与传统锂离子电池的持平成本。不过，该公司目前并不热衷于涉足竞争激烈、利润率较低的电动汽车电池领域。“在其他市场，能量密度的好处是改变游戏规则，开发出可行的产品和系统，没有它则万万不可能，”Gully补充说。

新兴应用呼之欲出

Lavle首席运营官Morten Pedersen表示，中距离深海航运是这种新型电池应用的一个场景，“你可以让所有的北海航运电气化——你不会看到任何一艘柴油动力船在欧洲国家之间运行。”

Morten Pedersen

另一种可能性是电动航空。他补充说：在欧州“绝大多数航班的飞行时间都不到30分钟，因此对于这样航班，锂金属电池有大量应用。有几家航空公司表示，他们想用900kWh的电池飞行650英里（1046公里）。这通常需要一个20英尺的集装箱，所以你今天不能飞那么远的地方。但我们的电池可以做到这一点。”理论上，这将允许从伦敦飞往布拉格（1033公里）的商业航班使用可再生能源电池。

据悉，这种高能量密度电池已经引起了国防工业的注意，因为它有可能在没有热特征的情况下进行长距离、几乎无声的飞行。该公司表示，目前正在与“以研究为导向的军事组织”进行讨论，不过，可以理解的是：拒绝提供细节。

类似的机会也已在铁路、石油和天然气行业以及新兴电动卡车领域出现。混合动力和全电池电力推进能够在新的海洋和国防市场推广，包括高速渡轮、长航线渡轮、穿梭集装箱船、游轮、护卫舰、驱逐舰、潜艇和自动水下航行器（AUV）等等。

安全性无以出其右

毋庸置疑，负极使用碳材料的传统锂离子电池的缺点之一是可能着火，这对于部署在飞机、轮船、火车和石油钻塔上是一个潜在的危险。

2019年，一年内韩国风能和太阳能发电厂发生23起电池储能系统（ESS）火灾，涉及LG Chem和Samsung SDI等供应商，长达数月的调查后，韩国工业部的结论是：电池保护不足、操作环境不合适、安装错误和系统级问题等因素都在起作用，并出台了一系列新的管控措施。

2012年，投入运营刚过一年，火灾就摧毁了北美最大的夏威夷风能储存系统，一场大火烧毁了一个15MW电池组。

Lavle已经专注于防范此类事件的技术，这绝非巧合。Gully说：“我们所提供和开发的安全性水平是系统的固有特性，在行业内基本上是无与伦比的。当你把4-5MWh装在一个一壁之隔有50名乘客的船上时，所要求的安全级别就大不相同了。”

Pedersen补充道：“如果你看看美国的大型货运火车，有些火车有一英里长。如果其中一节因为（电池驱动）火车头出问题而坏了，就会阻塞很多公路交叉口，造成严重混乱；它经常运输燃料或煤炭——你不希望太近的地方着火。在国防方面，它可能是一种任务关键性的东西，或与士兵的安全有关。”

众所周知，电池的强度取决于链条中最薄弱的环节，而Lavle的先进电池管理系统（BMS）具有“贯穿整个ESS的双冗余设计，可确保系统中任何地方的单个组件故障都不会导致超过一个电池串的故障”，其被动和主动平衡解决方案能够完全缓解任何意外情况。

其BMS采用广泛测试的第二代经验证设计，安全功能包括：

完全缓解热失控的高效热管理系统，具有高性能液体冷却、优化电池化学和多层传播屏障，防止误充电导致电池过热着火；

每个电池上都有双重冗余电压感应，确保准确检测电压，防止意外过度充电；

新颖的气体和泄漏检测技术，包括双气体释放阀和每个模块内的排气检测，以及全柜通风管理，业界无人提供；

高精度动态荷电状态（SOC）计算，确保最佳运行和老化控制；

高性能主动和被动平衡系统确保最大可用容量利用率，提高系统寿命和可靠性；

高度安全的远程监控和基于云的数据服务允许电池系统提供最高级别的支持和性能；

后盲配（rear blind mate）连接可消除电弧闪光风险，同时消除杂乱的电缆；

模块固定在机架上，无螺丝集成锁定机构，便于清洁安装。

锂金属电池技术的由来

锂金属电池是由Lavle的合资伙伴3DOM（持有多数股权）开发的。后者是2014年在东京都立大学成立的初创公司。

根据Gully解释，3DOM的下一代专利技术基本上是一种锂离子电池，不同之处在于用锂金属制成的电极取代了传统的石墨负极。

3DOM电池和可定制模块

他承认，其他公司也在实验室研发类似的电池，但3DOM和Lavle在竞争中遥遥领先。他表示：“要让它发挥作用，关键是系统的其余部分，还有电池的设计、电解质等——让所有这些东西一起工作是一个挑战，”他说。vle新一代锂基ESS的特性均源于3DOM隔膜。3DOM是一家新型隔膜技术开发公司，而隔膜是电池正负极之间的隔板。电子通过薄膜在正负极之间流动，产生电流做功。3DOM隔膜由高耐热性聚酰亚胺树脂制成，隔膜球孔整齐排列，直径为数百纳米。由于孔洞的大小一致，排列有序，因而离子统一流动，化学反应均匀，可防止热失控（过热），从而使电池具有固有的安全性，即使在400℃的高温下也不会燃烧。

3DOM的技术已通过日本东京都立大学的各种审查，并得到了日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）的支持。