能量密度高达450wh/kg！这种量产锂电池怎样做到的？

2月16日，有这样一条音讯在储能范畴炸开：坐落美国加州的Amprius（安普瑞斯）公司宣告，第一批商业化450Wh/kg高密度锂离子电池单元现已交货，将用于新一代的高空伪卫星（HAPS)。

450Wh/kg，这是到现在投入有用的能量密度最高值！不止于此，安普瑞斯现已发布说，不久的将来将推出能量密度为500Wh/kg的锂电池。

正极资料立异已到瓶颈期

先来看看为什么说450这个数字不易得。

据电车汇核算：从2019年第3批目录申报车型到2020年第13批引荐目录，磷酸铁锂电池体系能量密度雷打不动，一向都是161.27Wh/kg。

2022年第1批引荐目录中，除了宇通的一款车型到达了最大值161.29Wh/kg以外，大都厂商仍旧在161.27Wh/kg这个数字上打转。

也便是说，磷酸铁锂电池的理论上限现已很难打破。

那么高能量密度的三元电池现状怎样？

2021年7月，在工信部最新一批新能源轿车引荐目录中，一汽集团申报了新款红旗E-HS9，搭载的是宁德年代出产的三元电池，体系能量密度高达206Wh/kg。在此批次目录之前，能量密度最高的是国轩高科，为北汽和长安两款车型配套的电池能量密度均超越200Wh/kg，到达201Wh/kg。

也便是说，在现在能够量产的三元电池中，能超越200Wh/kg现已殊为不易。

磷酸铁锂和三元两个词都是针对正极资料而言。从近年来的电池立异来看，一方面是正极资料本钱占比很大，别的也是因为锂电池的技能立异主要从正极来进行。

除了正极资料立异，还有电池结构等立异，这方面特斯拉于不久前刚刚量产的4680是典型代表。据官方介绍，新的电池包选用无模组规划，大约有960个（40x24）电池组成，比较上千个2170电池组成的电池包要少许多，因为4680电池的能量密度进步了5倍，到达了300Wh/kg。

负极资料或许打破

已然从正极动身遇到了窘境，那么是不是从负极动身来进行技能立异，来进步能量密度？安普瑞斯便是这么做的。

先来了解一下现在锂电池常用的负极资料：

在石墨大规模用作锂电池负极资料之前，负极资料现现已历过两次推翻式立异。1991年，日本索尼联合旭化成株式会社发布商业化锂电池，其时负极资料选用的是石油焦。后来石油焦被中心相碳微球（MCMB）代替，这是一种从沥青中提取出来的小球体资料。

因为智能手机的深化运用，MCMB出产杂乱且功率很低，所以它在负极资料的霸主位置逐步被石墨代替。因为石墨导电性好，结晶程度高，具有杰出的层状结构，十分合适锂离子的重复嵌入-脱嵌，是现在运用最广泛、技能最老练的负极资料。更重要的是制取便利，不只要天然石墨，并且人工也能够制取石墨。

现在人工石墨技能现已十分老练，尤其是我国企业在这方面具有本钱优势，使得我国贝特瑞、璞泰来、上海杉杉等负极资料企业占有了超全球80%以上的商场。

出产石墨负极资料的公司几经技能迭代，现在来看，开发的高端产品现已到达了360mAh/g 的目标（璞泰来数据），到达了石墨比容量372mAh/g的理论极限。

也便是说，不管再怎样技能进化，从石墨这儿挖到的潜力现已有限。

人们把视野转向了理论比容量比石墨要高的硅基资料。理论上讲，硅基资料比容量能超越4000mAh/g，这是石墨资料的十倍。

可是高容量也带来很大的负面影响。其间最重要的是高损耗，锂离子电池在运用期间，构成回路的锂离子会在负极上结合电子。这个进程相当于锂离子钻进了负极资料，构成的锂结晶会把负极结构挤爆。也便是说，吸收的锂离子越多，带来的能量越大，但破坏得也越剧烈。尤其是硅晶体是正四面体结构（石墨是层状结构），所以更简单胀大，胀大率可到达300%。这会让电池变得愈加不安稳。

华裔天才的设想

怎样战胜这个问题，中外科学家都在尽力。

上一年5月12日，在我国轿车动力电池工业立异联盟2021年度会议上，国家动力电池立异中心交出了一款能量密度高达356Wh/kg的三元锂电池，这款电池选用的便是硅基负极资料。不过该款电池现在处于原型阶段还没有到达量产。

安普瑞斯处理高比容带给电池爆炸危险的方法是运用硅纳米线。

安普瑞斯的硅纳米线技能是在电池极片上直接成长硅纳米线，其在吸收锂原子后胀大至正常体积的四倍，但不同于一般的硅结构，这种结构的硅资料能够经过轴向胀大很好的开释应力，不会构成纳米线的龟裂或破损，然后阻挠了电极的粉末化。

此外，运用硅纳米线的负极厚度仅为碳资料负极厚度的一半。

依据Enpower的数据，现在特斯拉的Model 3电池是最先进的，能量密度也仅有 260Wh/kg（730Wh/ l）。按分量核算，Amprius锂电池的能量比特斯拉Model 3的电池高出73%，而体积却减少了37%。

这一计划的提出者也便是安普瑞斯的创始人之一，华裔教授崔屹。2007年，还在斯坦福资料科学与工程系担任教职的他，在Nature Nanotechnology上发布了《运用硅纳米线的高功能锂电池负极》的论文，具体阐释了硅纳米线技能在锂电池中的运用。

依据其时的测算，硅纳米线会让电池能量密度上升30%-80%。看到这一或许的风口，风投商场的不少人都下场劝说崔屹将技能商业化。2008年，崔屹与风投合伙人Mark Platshon一起建立安普瑞斯，董事会里边乃至有朱棣文的姓名，而朱棣文和崔屹相同都是归于斯坦福学术圈的学者。

尽管安普瑞斯总部在美国，可是产品的商业化出产又回到了负极资料大国我国。早在2014年，安普瑞斯就与无锡工业开展集团合资筹建安普瑞斯（无锡）有限公司，用于硅纳米线的老练运用和出产。

不过比起其时的规划，安普瑞斯的商业化实际要困难得多。2021年12月，安普瑞斯宣告，正在尽力完成每年数百兆瓦时的电池量产，估计将在2024年开端大规模出产。

来自特斯拉的评判

安普瑞斯曾在 2021年11月8日宣告了405Wh/kg的电池，仅几个月能量密度就到达了 450Wh/kg。上一年 12 月，该公司称其370Wh/kg的版别能够在大约6分钟内从0 充电到80%。

安普瑞斯科技公司的首席运营官伯恩斯坦说：“与之前在2021年11月8日宣告的405Wh/kg产品比较，这一前进凸显了咱们在供给具有无与伦比的功能的产品方面的路线图的加快。咱们专有的Si-NanowireTM渠道和咱们开发的归纳处理计划完成了无与伦比的功能，并持续坚持咱们的产品领先位置。”

可是这套“完美”的处理计划，仍旧存在着昂扬的价值。硅纳米线归于纳米资料，出产难度高。并且为了构成安稳循环需求进行预锂化处理。

安普瑞斯2月16日发布音讯中的“高空伪卫星”项目，相似高空气球，现在用于商业化的也只要这一个项目。尽管伯恩斯坦是把商业化预期放到了“飞翔轿车”和无人机上，乃至规划了500Wh/kg电池的量产。但有媒体以为，安普瑞斯间隔下降本钱大规模出产还很悠远。

有人以为，安普瑞斯这么着急，是因为投资者等不下去了。这项技能在2020年现已招引了超越1亿美元的融资，投资人包括美国最劲风投公司KPCB、Trident投资公司、VantagePoint投资公司、谷歌前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空客公司。

面临有限的产出，安普瑞斯未来或许会承受特斯拉的协助。马斯克一面嘲笑说“硅负极电池循环寿数太差”，高容量的400wh/kg电池要在2024年才干前后呈现，还称特斯拉与Amprius之间什么都没产生；另一方面又曾在电池日活动布景中加入了硅纳米线结构图作为宣扬。有媒体评论说，硅纳米线电池的商业化落地，或许仍是需求特斯拉，马斯克对安普瑞斯别别扭扭的情绪仅仅想下降安普瑞斯的筹码，另一方面也是在等待本钱的下降。

现在420-450mAh/g 容量的硅基负极资料(由硅基资料与石墨混合而成)市价在11-15万/吨之间，中心值约为12 万/吨，而高端石墨的价格仅有7-8 万/吨。

硅纳米线负极资料的商业化进程仍旧受制于本钱。

固态电池同为竞争者

与安普瑞斯发布的硅纳米线负极电池相同，近期以来还有一个指向进步能量密度的技能立异方向：固态电池。

一般以为液态锂电池的能量密度到达300Wh/kg现已是十分超卓的体现，而固态电池遍及能够到达300-400Wh/kg。

固态电池与现在干流传统锂离子电池最大的不同在于电解质，它是用固体电解质代替了传统锂离子电池的电解液和隔阂。除了能量密度高，因为固态电解质能够按捺锂枝晶、不易焚烧、不易爆炸、无电解液泄露、不会在高温下产生副反应等，固态电池具有更高的安全性。

可是，尽管固态电池的长处十分显着，其缺陷也是丧命的，并直接导致了固态电池的量产困难。因为固态电解质与电极资料之间是以固态状况存在联络的，电极与电解质之间的有用触摸较弱。并且离子在固体物质中传输动力低，因而会构成界面阻抗过大的问题。另一个问题依然是本钱过高。

固态电池中近期最具爆炸性的一则音讯是2月4日晚，固态电池厂商SES登陆纽交所。这家建立于2012年的公司是由华裔科学家胡启朝兴办的，在其股东名单上能够看到天齐锂业、通用轿车、上汽集团、吉祥集团、韩国SK集团、美国运用资料公司等等很多业界大名鼎鼎的公司，明显很多企业都对它寄予厚望。

别的一则音讯是，工信部2月20日发布的《免征车辆购置税的新能源轿车车型目录》（第五十一批），由春风公司技能中心自主开发的春风风神E70固态电池车名列其间，取得免税答应。标志着春风公司首先开端固态电池车量产。

动力电池后续将会怎样开展，让咱们拭目而待。但无疑，在正极资料改造还没有大的发展之时，从负极资料等视点进行改造将带来意想不到的效果。