能量密度全球最高!这家公司锂电池能量密度比特斯拉高73%

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新能源产业链最核心的动力电池赛道近日迎来重大突破。
美国Amprius公司宣布,第一批超高能量密度的锂电池单元已经出货,在比能量(单位电极放出的能量)和能量密度上均实现重大突破。这款锂电池的电池密度达到450 Wh/kg(1150 Wh/l),是目前可用电池中能量密度最高的锂电池。这款锂电池将被应用于新一代的高空伪卫星(HAPS),之所以称为高空伪卫星,是因为它们飞行在地球上方数十公里处,但并未完全绕轨道运行。“这是目前世界上能量密度最高的商业化电池单元。”Amprius公司表示,“在先进的航空航天领域中应用这款颠覆性的电池,肯定了Amprius是现有最高能量密度电池的领先供应商。”
由于Amprius研发的超高密度电池成本较为高昂,目前主要应用于高空无人机等航空航天领域,尚未进入新能源电动车领域。
对此,Amprius在其官网上表示:“我们正在积极扩大硅阳极制造的规模,以使更多行业能够利用我们的产品。目前,高性能锂离子电池正用于高端关键领域,随着制造能力的增长,很快将扩展到电动汽车和消费类应用。”
Amprius没有透露现有的具体产能。该公司位于加利福尼亚州弗里蒙特的电池工厂生产规模有限,计划在本季度进行第一个大批量生产设施的选址,预计到2024年将大幅增加产能。
根据Enpower数据,目前特斯拉Model 3使用的松下2170电池属于全球领先水平,能量密度达到260 Wh/kg(730 Wh/l)。同等重量下,Amprius锂电池的能量密度高出73%,体积却减少了37%。
特斯拉创始人埃隆·马斯克曾在2020年8月预测:“只需 3-4 年就能实现400 Wh/kg能量密度的电池单元,也就是在2023-2024年,电池重量将大大减轻。”在两年后的2022年,Amprius已经实现了450 Wh/kg能量密度的电池,远远超出了马斯克的预期。
值得注意的是,2020年,Amprius将总部迁到了距离特斯拉弗里蒙特电池工厂只有几百英尺的地方。尽管马斯克曾在推特上否认特斯拉与Amprius的关系,但不排除未来二者进行深入合作的可能性。在特斯拉2020年9月发布的电池日活动的注册页面,背景图片就是新电池材料硅纳米线的结构图,这也正是Amprius电池的核心技术。尽管后来这一技术并未正式亮相,但有不少媒体猜测,特斯拉与Amprius存在幕后合作的关系。
Amprius创立于2008年,创始人崔屹是斯坦福大学华人教授,在哈佛大学和加州伯克利大学读博和从事博士后研究期间,从事纳米材料的合成工作,并开始将纳米技术与电池结合起来。该公司在官网上的定位是“能量密度和循环寿命的游戏改变者”,建立初期的目标就是“生产出能量密度是当今锂离子电池两倍的电池”。
2020年发表在《自然》杂志上的一篇论文指出:“与传统使用的石墨阳极(372 mAh/g)相比,硅(Si)被认为是最有前景的锂离子电池负极材料之一,因为它具有较高的重量理论锂存储容量(3579 mAh g),同时还具有相对较低的放电电压。”
崔屹认为,在常规电池中阳极由石墨制成,但它存储的能量有限制。硅的存储容量约为石墨的10倍,但有一个明显缺点:充电时,硅会急剧膨胀,导致硅破裂并使电池失效。
资料显示,硅纳米线技术的研发方向早在Amprius公司成立之初便已确定,利用纳米技术,能够在微小的硅纳米线中存储锂,这些纳米线的厚度约为一张纸的千分之一,硅纳米线吸收锂后仍会膨胀,但纳米技术可防止硅破裂,可以实现市场上最高的能量/功率比。
据华宝证券研报,硅纳米线指的是宽度在10纳米左右、长度无限制的材料,是一种新型的一维半导体纳米材料。中信建投也分析称,将硅纳米线应用于锂电负极,体现出了若干理论优势:具备离子、电子通路;适应嵌锂前后的体积变化;利于电解液渗透和储存;具备较高活性物质利用率。在过去的几年中,Amprius研究团队通过纳米线技术制成硅阳极,并用空心硅纳米颗粒逐渐提高了硅阳极的耐久性。据Amprius公司介绍,这款新电池之所以能够实现如此高的能量密度,主要是因为该公司专有的硅纳米线(Si-Nanowire)技术,直接用100%硅纳米线阳极取代了传统的石墨阳极。
由于硅是能量密度的最佳材料,Amprius的100%硅纳米线电池将具有更高的能量密度和功率,并且比一般锂电池充电速度更快、循环寿命更长,在美国国家实验室、航空航天公司等的实际使用中已经证明了这一点。
正因如此,这项技术早在2020年就已吸引了超过1亿美元的融资,投资人包含美国最大风投公司KPCB、Trident投资公司、VantagePoint投资公司、Google前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空中客车公司。2021年11月,Amprius宣布量产405Wh/kg能量密度的电池。短短几个月的时间,其电池能量密度就提升了超过10%。2021年12月,该公司宣布其370Wh/kg版本的电池可以达到六分钟内从0%充电到80%。
但硅纳米线技术也并非十全十美。中信建投指出,Amprius实用化的负极产品是“核-壳”结构硅碳负极,估计该硅纳米线距离较低成本量产并制得高性能全电池还需要相当长的时间。未来随着正负极、电解液、隔膜和电池单体共同发力,才可能实现它的性能目标。再考虑到成本问题,实际局面更复杂。
华宝证券也指出,在石墨负极相对成熟度较高的条件下,仅高镍三元正极的规模化应用历时就不止3-4年,而获得量产400Wh/kg能量密度电池所难度要远高于研发、生产高镍三元正极。Amprius的硅纳米线距离较低成本量产并制得高性能全电池预计还需要时间。

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