来源：麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）

摘要：一项先进的锂离子电池制造工艺可显著削减这种广泛应用的可充电电池的成本，同时提高其性能，并使其更容易回收。

 

总部位于剑桥（Cambridge）的24M试点工厂已经对数千个电池进行测试，结果显示出这种新设计具有良好效率。

图片来源：24M

 

MIT和24M公司研究人员共同开发了一项锂离子电池的先进制造工艺，可大幅度削减这类最广泛应用的可充电电池的成本，同时提高其性能，并使其更容易回收。

“我们重新开发了工艺。”MIT陶瓷Kyocera教授、24M公司联合创始人之一（A123电池公司前联合创始人） Yet-Ming Chiang说。他说，现有的锂离子电池生产工艺自发明起20年之内几乎没有改变，存在过多的实际不需要的步骤和组分，使其效率低下。

新工艺是基于5年前Chiang及其同事，包括材料科学与工程POSCO教授W. Craig Carter提出的一个概念。在这种所谓的“液流电池”中，电极是微小颗粒的悬浮液，并通过泵穿过电池的各个腔室。

这种新的电池设计介于液流电池和常规固体电池之间：在这个概念中，电极材料不流动，类似于半固体，颗粒的胶体悬浮液。Chiang和Carter称之为“半固体电池”。

更简易的生产工艺（Simpler manufacturing process）

这种方法大大简化了生产，使电池更具柔性，且不易损坏，Chiang如是说。相关结果发表于Journal of Power Sources，Chiang是该论文的通讯作者。论文根据特定的应用和化学成分，在固体和液流电池中进行权衡选择。

分析表明，液流电池体系适合于低能量密度的化学电池（对一个给定的质量只储存有限的能量）；而高能量密度的器件，如锂离子电池，流体系统特别复杂且组件繁多，增加了不必要的额外成本。

在之前关于液流电池的研究发表之后不久，Chiang说，“我们认识到一个利用这种具有流动性电极技术的更好方法，对锂离子生产工艺进行改造。”

常规方法是在衬底材料轴上进行液体涂敷，接着不得不等材料干燥才能进行下一步操作，而新工艺始终保持电极材料为液态，根本无需干燥。使用更少、更厚的电极，该体系减少了传统电池结构中层次分明的层数，同时减少了80%结构中未起到功能性作用的材料。

微小悬浮颗粒电极大大降低了带电粒子穿过材料的路径——称之为“曲折”。减少了曲折路径使其有可能使用更厚的电极，反过来简化了生产工艺，降低了成本。

可弯曲、可折叠（Bendable and foldable）

精简生产工艺除了可以削减一半的电池成本以外，Chiang说，该新体系还使得电池具有更好的柔性和弹性。传统锂离子电池由脆性电极构成，在应力作用下回产生裂纹。新工艺生产的电池可以弯曲、折叠、甚至是子弹穿过也不会失效。这将提高其安全性和寿命，他说。

到目前为止，公司已经在其样机装配线上生产了大约10,000个电池，其中大部分由三家工业合作伙伴进行测试，包括泰国石油公司和日本重型设备制造商IHI Corp。该工艺已经获得8项授权专利，另有75项专利在审；24M已经从风险投资公司以及美国能源部募集到了5千万美元的融资。

公司最初专注于电网规模装置，用于帮助解决电力负荷以及提供产生间歇输出的可再生能源，例如风能和太阳能。但Chiang说该项技术同样非常适合于那些质量和体积有限的应用领域，比如说电动汽车。

Chiang说，该工艺的另一个优势是可通过简单的增加完全相同但愿来进行扩展。对于传统锂离子电池的生产，工厂必须从一开始就具有比较大的规模，从而降低成本，因此需要大得多的初始资金投入。Chiang估计，到2020年24M公司生产的电池成本将低于100美元每千瓦时。

卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon University ）机械工程助理教授VenkatViswanathan在报纸上发表分析指出，“解决了一个非常重要的问题，建立液流电池固态模型。……本论文将成为设计选择及后续决定的关键工具。”注：VenkatViswanathan未参与此项研究。

除了Chiang之外，发表于Power Sources说上的论文作者还包括研究生Brandon Hopkins、机械工程教授Alexander Slocum、和伊利诺伊大学厄本那-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Kyle Smith。该研究获得美国能源部储能研究中心（设立中伊利诺伊阿贡国家实验室）的资助。）

 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮