 當(dāng)前最高能量密度電池,！打敗特斯拉4680，打破動力電池能量密度天花板,，6分鐘充滿80%,。Amprius完成其第一批電芯能量密度達(dá)450Wh/kg的鋰電池，推動電動飛機商業(yè)落地,。來自斯坦福的硅納米線技術(shù)加成,，Amprius或?qū)嚻饎恿﹄姵匦袠I(yè)一池春水。 文丨智駕網(wǎng) 黃華丹 比特斯拉4680的能量密度還高50%,！ 外媒消息,，美國創(chuàng)業(yè)公司Amprius已生產(chǎn)其第一批高能量密度鋰電池，其電芯能量密度達(dá)到 450 Wh/kg,，1150 Wh/L ,。 作為參照，備受矚目的特斯拉4680電池,，作為目前高能量密度,、低成本電池的代表，其電芯能量密度約為300Wh/kg,。 而數(shù)據(jù)顯示,，2021年三元鋰電池普遍能量密度徘徊在150Wh/kg左右。 顧名思義,，能量密度越高,，根據(jù)所使用的單位，儲存同樣電量的電池重量或體積就越小,。 在一輛車留給電池的空間或重量確定的前提下,，能量密度越高，儲存電量就越多,，續(xù)航里程也就越長,。 就當(dāng)前形勢而言,，能量密度幾乎是目前電池行業(yè)，甚至是電動汽車行業(yè)向前大跨步最明顯的突破口,。 但要實現(xiàn)這個突破并不容易,。 而Amprius，這家?guī)缀趺灰娊?jīng)傳的創(chuàng)業(yè)公司憑什么能實現(xiàn)質(zhì)的跨越,？ 其秘訣就在于Amprius使用的硅納米線負(fù)極材料,。 為什么使用硅納米線負(fù)極材料能實現(xiàn)能量密度的大幅提升,？ ——01—— 硅納米線技術(shù)原理 要解答這個問題,，我們先來看一下鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)。 鋰離子動力電池一般由負(fù)極集流體,，負(fù)極,，隔膜，正極,，正極集流體,，極耳，電解液,，絕緣片,，外殼等構(gòu)成。  鋰電池的運作原理是： 充電時,，正極上的鋰原子脫去電子,，被氧化成鋰離子，然后在電解液中運動,，跑到負(fù)極,，與流經(jīng)外部電源的電子互相結(jié)合，還原成鋰原子,，嵌入到負(fù)極材料的微孔中,。 而放電則是一個相反的過程。鑲嵌在負(fù)極材料中的鋰原子脫去電子,，被氧化成鋰離子,，回到電解液中，運動到正極,，與流經(jīng)的電子結(jié)合,，再度還原成鋰原子。 因而,，提高正負(fù)極材料中嵌入的鋰原子量也就能提高整個電芯的儲電量,。 正極材料常見的有鎳鈷錳酸鋰和磷酸鐵鋰，也就是常說的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池,。 而當(dāng)前的負(fù)極材料則以石墨為主,，也有部分使用鈦酸鋰和硅基材料,。 目前以石墨為主的碳負(fù)極材料克容量達(dá)到360mAh/g，已經(jīng)非常接近理論克容量（372mAh/g）,，提升空間不大,。 而硅基負(fù)極材料的克容量達(dá)3500mAh/g，其儲鋰能力幾乎達(dá)到碳材料的10倍,。  理論上使用硅基負(fù)極材料的鋰電池能量密度可達(dá)到碳材料鋰電池的十倍,。 但問題在于，放入電池中的硅會在充電過程中吸收帶正電的鋰原子而膨脹,，然后在使用過程中隨著鋰從硅中抽出而收縮,。這種膨脹/收縮循環(huán)通常會導(dǎo)致硅（通常以顆粒或薄膜的形式）粉碎,，從而降低電池性能,。 為解決這個問題，Amprius使用了硅納米線技術(shù),。 什么是硅納米線技術(shù),？  Amprius的硅納米線技術(shù)是在電池極片上直接生長硅納米線，其在吸收鋰原子后膨脹至正常體積的四倍,，但不同于一般的硅結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)的硅材料可以通過軸向膨脹很好的釋放應(yīng)力，不會造成納米線的龜裂或破損,，從而阻止了電極的粉末化,。  此外，使用硅納米線的負(fù)極厚度僅為碳材料負(fù)極厚度的一半,。 由于硅是能量密度最好的材料,，因而使用100%硅材料意味著可以實現(xiàn)最高能量密度的鋰離子電池。 而且,，Amprius的硅納米線電池具有出色的循環(huán)壽命,，這在包括美國國家實驗室和主要航空航天公司在內(nèi)的多個組織的實際使用中已得到證明。 Amprius此次生產(chǎn)的第一批硅納米線鋰電池將供應(yīng)給一家高空偽衛(wèi)星公司,。 ——02—— 緣起與應(yīng)用 Amprius的硅納米線技術(shù)源自斯坦福,。 2007年，時為斯坦福材料科學(xué)與工程系助理教授的崔屹在Nature Nanotechnology上發(fā)布了一篇題為《使用硅納米線的高性能鋰電池負(fù)極（High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires）》的論文,，詳細(xì)闡釋了硅納米線技術(shù)在鋰電池中的應(yīng)用,。  2008年，崔屹與資深風(fēng)投合伙人Mark Platshon共同成立Amprius（安普瑞斯）,。其董事會成員包括諾貝爾獎得主,、前美國能源部長朱棣文。 如今,，年僅四十多歲的崔屹不僅是斯坦福終身教授,，還是四家創(chuàng)業(yè)公司的創(chuàng)始人,。 Amprius總部位于硅谷，并在無錫與政府旗下的投資公司無錫工業(yè)發(fā)展集團合資建立大型電池工廠安普瑞斯（無錫）有限公司,。 Amprius的投資人包括硅谷風(fēng)投公司Trident Capital和Kleiner Perkins,、中國私募股權(quán)公司軟銀賽富、斯坦福大學(xué),、空客（Airbus）等,。此外，谷歌前CEOEric Schmidt也是公司投資人之一,。 公司現(xiàn)任CEO孫康博士曾擔(dān)任霍尼韋爾副總裁,，并協(xié)助組建了晶澳太陽能有限公司，后者目前是全球最大的太陽能電板制造商,。  2021年12月,，Amprius宣布在電池充電效率方面取得突破,，只需 6 分鐘即可實現(xiàn) 0% 至 80% 的充電率,。公司正在努力實現(xiàn)每年數(shù)百兆瓦時的電池量產(chǎn)率，并預(yù)計將在 2024 年開始大規(guī)模生產(chǎn),。 其COO Jon Bornstein表示,，具有450Wh/kg高能量密度的鋰電池將支持具有更高功率需求的航空航天產(chǎn)品，包括新的eVTOL飛機（Electric Vertical Takeoff and Landing,，電動垂直起降,，也稱為飛行汽車），可延長飛行續(xù)航時間,。此外,，他還表示，Amprius預(yù)計將在今年晚些時候生產(chǎn)出首批 500 Wh/kg 的電池,。  Bornstein還表示,，Amprius正在為無人機應(yīng)用開發(fā)電芯，并且已與一家未公開的航空公司簽訂合同,。此前,，Amprius就已為空客的Zephyr太陽能無人機供應(yīng)電池。 此外,，據(jù)《財富》報道,，美國軍方也在使用Amprius的電池測試其在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用。 而空客的合約對Amprius來說既是救生索,，也是警示牌,。“我們給空客開出了天價,，... 這種價格是不可持續(xù)的,?！盋EO孫康表示。 如果要大規(guī)模應(yīng)用在乘用車上,，昂貴的成本顯然是不可接受的,。 在2020年8月的特斯拉電池日之前，馬斯克在推特上表示特斯拉會在3-4年內(nèi)批量生產(chǎn)壽命更長,、而且能量密度提高50%也就是達(dá)到400wh/kg的電池,，當(dāng)時Model 3使用的松下 2170 電池電芯能量密度為260wh/kg。  隨后,，特斯拉更是于9 月 19 日在電池日活動注冊頁面上用了硅納米線結(jié)構(gòu)圖作為背景圖片,。 加之Amprius的公司地址就在特斯拉對面，彼時關(guān)于特斯拉將要收購Amprius的猜測一時四起,。 但在電池日當(dāng)天,，這一技術(shù)并未亮相。 馬斯克更是在推特上直言,，特斯拉與Amprius之間什么都沒發(fā)生,。  對于馬斯克來說，成本始終是其考慮的首要因素之一,。 據(jù)華寶證券數(shù)據(jù),，目前420-450mAh/g 容量的硅基負(fù)極材料(由硅基材料與石墨混合而成)市價在11-15萬/噸之間，中間值約為12 萬/噸,，而高端石墨的價格僅有7-8 萬/噸,。 也許當(dāng)使用硅基材料作為負(fù)極材料的成本能控制到與石墨不相上下時，Amprius與特斯拉之間終歸會發(fā)生點什么,。 ——03—— 動力電池的未來：固態(tài)電池還是硅納米線負(fù)極,？ 業(yè)界普遍認(rèn)為，目前鋰離子電池的發(fā)展已經(jīng)到了極限,。想要進(jìn)一步提高續(xù)航里程,，勢必要在技術(shù)上進(jìn)行大的革新。 與Amprius發(fā)布的硅納米線負(fù)極電池一樣,，此前業(yè)界熱傳的固態(tài)電池一大目的也是為了提升能量密度,。 一般認(rèn)為液態(tài)鋰電池的能量密度達(dá)到300Wh/kg已經(jīng)是非常出色的表現(xiàn)，而固態(tài)電池普遍可以達(dá)到300-400Wh/kg,。 固態(tài)電池與目前主流傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì),，它是用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。 除了能量密度高,，由于固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶,、不易燃燒、不易爆破,、無電解液走漏,、不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等,，固態(tài)電池具有更高的安全性。 而且,，由于固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象,，還可大大提升鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。 但是,，雖然固態(tài)電池的優(yōu)點非常明顯,，其缺點也是致命的，并直接導(dǎo)致了固態(tài)電池的量產(chǎn)困難,。 由于固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的,，電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質(zhì)中傳輸動力低,，因而會造成界面阻抗過大的問題,。 另一個問題依然是成本過高。 業(yè)界普遍認(rèn)為,，固態(tài)動力電池要實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),，至少需要在2025年之后才可能實現(xiàn)。 而今天,，Amprius已憑借其硅納米線技術(shù)成功生產(chǎn)第一批能量密度達(dá)到450Wh/kg的新一代鋰電池,。 雖然也許還無法做到低成本量產(chǎn),，但這無疑也為行業(yè)提供了另一種可能的方案,。 動力電池后續(xù)將會怎樣發(fā)展，且讓我們拭目以待,。
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