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特斯拉改進鋰電池 提高負極硅含量

許多公司都表示要降低電池價格并提高容量，而美國特斯拉公司的最新方向是硅。日前，特斯拉展示了新的90千瓦時電池組，這種升級產品的容量提高了5%，可以讓特斯拉的電動汽車多行駛24公里左右。雖然外觀可能沒有變化，但它使用了硅，這是鋰離子電池技術的一個進步。

提高電池負極中的硅含量

據特斯拉CEO埃隆·馬斯克介紹，特斯拉對電池進行了改進，具體方法是在負極中使用了一些硅材料，進而改變了電池的化學反應過程。馬斯克說：“我們的方向是用硅來做負極，以上做法只是邁出一小步。我們用的主要材料仍是人造石墨，但我們會慢慢地在負極中加入越來越多的硅。”

加拿大新斯科舍省戴爾豪西大學鋰離子電池首席研究員杰夫·達恩教授最近和特斯拉簽訂了為期五年的獨家合作協議，他將從2016年6月開始和特斯拉進行獨家合作。他說：“電池廠商正在爭相提高電池中的硅含量。在全球鋰離子電池領域，正在進行硅課題攻關的研究人員不計其數。許多學術界和實業界人士也在非常努力地鉆研這個問題。”

商用鋰離子電池的負極一般由石墨制成。如果用硅作負極，其單位體積鋰離子容量可達到石墨的10倍左右。理論上，如果用硅大量取代石墨，石墨正極就可能變細，從而擴大容納活性材料的空間。這樣就可以提高電池的能量密度，也就是單位體積的能量存儲能力。換句話說就是：尺寸不變，能量增多。同時，在鋰離子電池中，硅的質量不需要像太陽電池或集成電路中那么高，這就意味著價格較低。電池中的硅越多，就越容易降低成本。

這就是所有電池廠商的目標——提高產品質量，降低成本。聽起來似乎很容易，但是把鋰和硅放在一起的難點在于，最終出現的原子數量幾乎是初期的5倍，而這會帶來各種各樣的問題。

參加聚會的電極顆粒

達恩解釋說，大家可以把電池電極想象成一個房間，電極中的大量顆粒就像在房間里聚會的人，如果這些人都突然變得很胖，房間里就裝不下那么多人了。用硅制作所有電極顆粒就會出現這樣的情景。但如果房間里只有一部分人變胖，問題就不那么大，大家可以挪動一下，給胖人留下足夠的空間。達恩指出：“最初只添加少量硅的原因就在這里。”

但使用硅材料的問題還不止于此。我們還用上面的比喻來解釋，假如這些胖人(或者說較大的電極顆粒)在充電時變瘦，放電時再次變胖，其體積的大幅變化會引發另一個問題。所有硅電極顆粒都浸泡在電解液中，當它們變大時，就會不斷拉伸包裹著它們的保護膜；當它們縮小時，保護膜則有可能脫落，這可能影響到電池的使用壽命。

達恩說，這種情況意味著用的硅越多，電池的壽命就越難保證。這就是目前電池廠商和研究人員面臨的難題。

達恩說：“眼下只能加一點點硅，就像灑魔粉那樣，這樣的量還可以接受。幾年后，硅會用得越來越多。這是件好事，因為它意味著這些產品會越變越好。”

達恩的研究團隊打算既提高鋰離子電池的能量密度，又延長它的使用壽命，這將有助于降低電動汽車和電網能源存儲的成本。但正在這么做的不光是他們。達恩說：“世界上有好些公司都在往正極里添加硅。不僅僅是為特斯拉提供電池的松下，三星和其他一些公司也在這樣做。”

薩薩姆·杰斐曾在清潔能源研究和分析機構Navigant Research長期從事分析工作，現在他是初創公司Cygnus Energy Storage的CEO。他認為，目前大多數電池中的硅含量都非常低，包括消費電子產品使用的電池。

問題在于特斯拉用了多少硅。杰斐說，業界標準是硅占電池原材料的1%～3%。他認為特斯拉已經找到了提高硅含量的辦法。“特斯拉已經顯著改變了電池的能量密度，而且公開宣稱是硅讓他們做到了這一點，這讓我覺得他們在提高電池硅含量方面已經取得了進展。當然，現在這只是猜測。”

Model X和作為供應商的特斯拉

車輛估值及汽車市場研究機構Kelley Blue Book高級分析師卡爾·布勞爾對《財富》雜志表示：“所有業內人士都有很大的動力來不斷改進電池技術。這當然是特斯拉的命根子。”

他說，特斯拉的Model X SUV備受期待，為此特斯拉必須提高電池容量。這是因為Model X較重，不提高電池容量的話，行駛里程就會縮短。

布勞爾認為，特斯拉把精力集中在電池技術上不光是為了做出更好的汽車，它還想轉型為供應商。

許多公司都預計價格更低、性能更好的鋰離子電池將投入使用，并且爭相把這項技術用于民用和商用電網中。上述舉措有可能幫助特斯拉成為這個新興革命性能源行業中的領跑者。

中國和德國科學家用蘆葦制備鋰電池硅基負極材料

近日，中國科學院能量轉換材料重點實驗室、中國科學技術大學化學與材料學院材料系余彥教授課題組與德國馬普固體研究所合作的科研團隊，發明了一種用蘆葦制備鋰離子電池三維硅負極材料的方法，打破了此前僅能用復雜的化學步驟合成硅的技術難關，為開發新一代鋰離子電池提供了更多可能。

當前的鋰離子電池主要以石墨及改性石墨為負極材料，但其372毫安時/克的理論比容量難以滿足電動車的長里程需求。相比之下，擁有較高理論比容量(4200毫安時/克)的硅基負極材料成為下一代鋰離子電池負極材料領域的研究熱點。此次余彥教授課題組創新性地采用了蘆葦作為制備的原材料，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。

該方法主要基于鎂熱還原，從天然蘆葦葉上還原出密集的三維多孔氧化硅(SiO2)。蘆葦葉作為骨架，在其上產生的副產物氧化鎂(MgO)作為孔的雛形。

和當前一些制備納米結構硅基負極的方法相比，此種基于蘆葦的制法具有以下優勢：

(1)蘆葦葉為可再生材料；

(2)還原產生的硅保持了蘆葦葉中原有的三維納米結構，這種結構有利于提升負極性能，因為它可以減緩負極的粉末化；

(3)方法簡單易行；

(4)無需使用昂貴的硅起始原料或反應試劑。

用此方法制備負極時，蘆葦葉中原有的硅酸鹽的拓撲結構神奇地得到了保持，在一系列物理化學處理規程中沒有受到分毫的破壞。在對干蘆葦葉純化的過程中，其內部的三維結構會收縮，中孔網絡能夠保持完好，哪怕是之后的碳化過程都不會改變它。

據研究人員介紹，鎂熱還原有兩個優點：第一，它能夠保持蘆葦葉中原有的硅的結構；第二，對氧化鎂添加物的腐蝕可以使內孔密度進一步增加。這兩點輔以其后在硅電極上進行的碳層包裹，可以極大地提升鋰離子電池負極的電化學性能，比如大的可逆容量、高充放電的電流密度、優異的循環性能。最后，蘆葦作為一種天然材料，為高性能鋰離子電池今后的大規模投產提供了可能。

法國空中客車公司決定用鋰電池啟動空客A350

法國空中客車公司的工程執行副總裁Charles Champion近日宣稱，空客公司使用鋰電池備份和啟動A350-900飛機的計劃已經進行到了監管審查的最后階段。

而波音787-8和其他飛機使用鋰離子電池所涉及的安全問題，將會貫穿監管審查的整個過程。Champion表示：“我們必須做更多的測試，因為監督機構十分注重波音787的安全問題。”

鑒于此，空客公司已經決定改變A350-900上鋰離子電池系統的初始設置。初始設置允許電流在電池間流動，但令人擔憂的是電池過熱可能會阻斷這種流動。所以他們使用了單門閥，即使出現阻斷，也不會導致電流回流。

空客公司正努力說服監管部門在飛機內安裝鋰離子電池，并表示這次將不會把鋰離子電池封閉在笨重的不銹鋼箱體內。能減輕質量是使用鋰離子電池的一大優勢。空客公司希望能安裝外殼由輕型材料制成的鋰離子電池，而非不銹鋼箱體的。如果用一個巨型不銹鋼箱子把電池組包圍起來，那么鋰離子電池的優勢就蕩然無存了。

波音公司過去為電池所做的一大改變就是將較輕的鋁外殼換成不銹鋼箱體，如此笨重的外殼與舊的鎳鎘電池相同。之所以這樣做，是因為飛機行業從20世紀70年代早期使用鉛鋁電池而導致的一系列火災中得到了慘重的教訓。

美國聯邦航空局(FAA)允許波音公司在787-8上使用鋁外殼的電池，因為認證檢測證明鋰離子電池符合安全標準。但FAA和波音從那些電池火災中總結出，僅有的認證測試不足以做出這樣的聲明。

但空客公司對A350-900的鋰離子電池設計很有信心，他們認為這比原有的787-8的電池系統要安全得多。波音設計包括兩個由GS湯淺制造的電池和8個3.7伏電池。Champion表示：“我們對自己的系統非常自信，因為我們與波音的架構不同。”

日本開發具有光充電功能的半透明鋰電池

日本工學院大學校長、先進工學部及應用物理學教授佐藤光史的研究室試制出了具備光充電功能的半透明鋰離子二次電池，并在展會“Innovation Japan 2015”上展出。其目標是實現“智能窗戶”，將幾乎透明的窗戶直接變成大面積的蓄電池，并使之具備作為太陽電池的功能，當有陽光射入時會變色，使光透過率下降。

佐藤的研究室于2013年開發出了半透明的鋰離子二次電池，并發表了相關論文。當時試制的電池的正極采用Li3Fe2(PO4)3，負極采用Li4Ti5O12，并使用以LiPF6為主要成分的電解液。這些都是鋰離子二次電池中普遍使用的材料，但其正極厚度只有80納米，負極厚度只有90納米，薄到可讓光線穿過，從而使電池呈現出近乎完全透明的效果。而現在，在更改了電池正極的化學成分之后，研究者發現了一種可讓電池在陽光或其他明亮光源下自行充電的新方法。

對于波長約550納米的綠色光，放電后的光透過率約為60%。充電后電極中的鋰濃度改變，材料的電子狀態(價數)發生變化，這時對綠色光的透過率降至約30%。輸出電壓約為3.6伏，充放電循環壽命已確認可達到20次。

佐藤研究室展出了尚未發表論文的新裝置。新裝置對上述半透明鋰離子二次電池的材料略微做了變更，可將射入負極的光激發的電子直接用于電池充電。

在此次展會上，佐藤研究室公開了通過照射能量為10毫瓦/平方厘米的近紫外線 (這一能量大約相當于太陽光的1/10)、實施5次光充放電的實驗結果。研究團隊表示，他們希望研發的改良版透明電池可在未來獲得自動調光的能力，可以作為建筑物或車輛的窗戶使用，并同時產生電源。

日本研制出電動汽車鋰電池耐熱新技術

日本大金工業和日本高度紙工業聯合研制出用于電動汽車的鋰電池高耐熱技術。新技術不需要電池冷卻系統，在減少自身電力消耗的同時減輕了車體質量，一次充電行駛距離可提高30%～40%，并且還能防止電池自燃事故，提高行車安全性。

現有車用鋰電池發電時因化學反應而發熱，當溫度上升至45℃以上時，發電性能降低，需要裝配冷卻系統。夏季高溫時節，冷卻系統全程運轉可致效率下降，行駛距離縮短30%左右。

新技術采用氟化合物代替易燃電解液成分，制成的新型電解液即使溫度上升至60℃也能正常工作；與現在通用的樹脂膜制品相比，采用植物纖維經精細加工制成的絕緣材料更耐高溫，伸縮率也降低，可使絕緣組件的耐熱性能大大提高；用于電極的粘結劑更換了高耐熱材料，即使高溫也不會出現溶出現象。

目前，新型電解液制品已經提供給汽車和電池廠家試用，新型電極制品也在試用計劃中。日本大金工業和日本高度紙工業希望到2020年能夠實現該技術的商品化。

美國蘋果公司申請氫燃料電池技術專利

蘋果公司今年3月份提交的一個專利申請文件近日被美國專利商標局公布(尚未獲得專利許可)，這一技術和應用于電子設備的氫燃料電池有關。這不是蘋果公司第一次提交類似的專利技術申請，此次的專利申請是2010年申請另外兩個專利的延續。蘋果在相關技術上做了提升。

各種文字和圖表顯示，蘋果計劃利用氫燃料來產生電能，給電子設備供電。蘋果正在開發供電系統和設備的功能連接方式，以及后續采用何種方式添加氫燃料。

蘋果的圖表中提到了一個名為“MagSafe”的連接器。媒體分析稱，蘋果的氫燃料電池技術可能首先針對筆記本電腦產品。蘋果在文件中表示，在沒有添加新燃料的條件下，氫燃料電池將使電子設備續航的時間增加到數日甚至幾個星期。

目前在電子設備上，伴隨著處理器功耗的降低以及筆記本電池設計的改進，筆記本電腦的續航能力已經提升到了一個白天的時間，逐步能夠滿足大部分用戶處理工作的需求。但是在外出攜帶的智能手機上，電池續航能力還遠遠達不到用戶的需求。分析人士預計，面對智能手機續航能力差的軟肋，蘋果后續將研發出針對手機的氫燃料電池技術和方案。

事實上，英國Intelligent Energy公司不久前曾宣布成功開發了一款氫燃料電池，可以給蘋果iPhone 6手機的電池充電，使蘋果手機的續航時間延長到了一周。該公司稱就這一技術研發和蘋果進行了合作，不過蘋果則并未在iPhone的氫燃料電池供電上披露任何信息。這家英國公司開發的氫燃料電池體積超薄，可以直接植入蘋果手機的機身中，不會改變手機外觀。

美國媒體分析認為，蘋果未來是否會把氫燃料電池使用于手機等產品中，仍然有一些未知數。首先，保證一定續航時間的氫燃料電池體積較大，可能會占用手機內部空間，一些消費者可能更愿意把氫燃料電池作為給手機充電的便攜式移動電源。另外，如果全球數以億計的蘋果手機轉向了氫燃料電池，則蘋果需要在全世界構建一個龐大的氫燃料產業，這個產業完全不同于傳統的消費電子供應鏈，這會帶來巨大的制造和環境成本。

美國麻省理工學院研制出用于燃料電池的新型薄膜材料

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員近日宣稱，通過更新燃料電池的內部材料，可將便攜式消費電子產品所用燃料電池的功率輸出提高50%。在研發小組發表的一份聲明中表示：“我們的目標是用這類成本有效、調節方便、性能更佳的材料取代傳統燃料電池的薄膜。”

MIT研究小組主要關注直接甲醇燃料電池(DMFC)，這類燃料電池采用甲醇作為燃料，而不必將乙醇提純成氫來作燃料。目前DMFC的使用范圍尚受到一定限制，因為甲醇能滲透兩電極間用作電解交換的Nafion膜，滲透至燃料電池的中心，從而導致燃料的浪費。

通過采用層-層組裝技術，MIT研究人員發明了一種可取代Nafion的材料，并且可以調節薄膜的結構(每次幾納米)。新型薄膜的抗甲醇滲透能力提高了兩個等級，但是質子傳導率比Nafion要好。

研究人員在Nafion質子交換膜上包覆了一層新型薄膜，并將其用于一塊DMFC，結果發現燃料電池的功率輸出提高了50%。研究小組現在正著手研究這種新型質子薄膜是否能夠取代Nafion膜。出于這種考慮，他們已經單獨生產這種薄膜，這種薄膜在材質上更像是保鮮膜。

作為MIT能源研究的一部分，該小組也已經開始研究這種材料在光電方面的用途。DuPont-MIT聯盟曾對MIT的燃料電池研究提供資金支持，但目前這項研究由國家科學基金提供支持。

日本松下公司將在歐洲銷售家用電池

近日有消息稱，日本松下公司即將在歐洲銷售家用電池，首先面向更愿意使用太陽能的德國市場推出。

此次利用家用電池向國際市場擴張，將令松下與其主要客戶特斯拉公司產生競爭，后者在今年5月推出了一批專供企業和家庭使用的鋰電池。特斯拉CEO埃隆·馬斯克表示，德國是特斯拉產品的重要市場，原因是德國的太陽能消費市場較為發達。

松下公司歐洲區CEO勞倫特·阿巴蒂表示，松下之后還將陸續進軍法國、英國等其他市場。該公司尚未透露在歐洲銷售家用電池的具體時間。

松下之前已經在日本市場銷售了家用電池，它可以儲存通過太陽電池板產生的電量，取代普通家庭70%的用電量。該公司的目標是最終100%取代常規電網提供的能源。

“我們距離未來100%的目標并不遙遠。”阿巴蒂說。但具體花費多長時間取決于所在的地區。“如果你在北歐，冬天需要使用很多電來取暖，但不需要任何照明。”

這種電池可以在發電高峰存儲電量，以備日照強度降低導致發電量下滑時使用。

光伏組件制造商REC Solar Holdings高級副總裁盧克·格雷爾表示，隨著普通家庭購買家用電池來存儲電量，歐洲增長緩慢的太陽電池市場可能在2017年實現復蘇，因為這種模式比直接從電網買電更加便宜。

松下曾經預計，到2018財年，家用能源存儲行業將在其日本本土市場之外創收100億日元(約合8300萬美元)。松下將于今年10月開始在澳大利亞銷售這套系統。

江森自控牽手北汽集團 開拓中國汽車電池市場

美國江森自控公司宣布與北京汽車集團有限公司旗下企業北京海納川汽車部件股份有限公司簽署諒解備忘錄，計劃共同組建汽車電池銷售及生產合資公司，服務中國這一全球最大的汽車市場。

根據雙方簽署的諒解備忘錄，江森自控與海納川將組建合資公司為北汽集團關聯的整車制造企業及其銷售服務商提供汽車電池產品，其中包括傳統起動用鉛蓄電池以及起停汽車用電池(吸附式玻璃纖維隔板電池和增強型富液電池)，幫助整車廠商滿足日益嚴格的燃油經濟性和排放法規要求。

“到2020年，中國將成為全球最大的汽車電池市場。諒解備忘錄的簽訂，將為江森自控與北汽集團共同開拓中國市場奠定堅實的基礎。”江森自控能源動力業務總裁Joe Walicki表示，“根據市場發展動態、消費者需求和技術發展要求，江森自控開發出完整的汽車電池產品線，滿足客戶短期和長期的汽車儲能要求。”

北汽集團成立于1958年，是中國最大的汽車企業集團之一，業務涵蓋汽車整車研發與制造、通用航空產業、汽車零部件制造、汽車服務貿易、投融資等領域。經過多年的發展，北汽集團已先后引進“現代”、“梅賽德斯-奔馳”等眾多國際品牌，并擁有“北京”、“紳寶”、“昌河”、“福田”等自主品牌。

江森自控能源動力業務副總裁兼中國區總經理楊時豐表示：“我們將持續投資中國市場，不斷引入江森自控全球領先的產品技術和運營標準，同時擴大在華產能。”

中國目前已成為全球最大的汽車市場，每年制造約2200萬輛汽車。不久前，江森自控宣布簽訂投資協議，將在沈陽市新建汽車蓄電池制造基地，預計于2018年投產。江森自控目前已在中國建立了兩個汽車蓄電池生產基地，分別位于重慶和浙江，另有一個儲能技術研發中心位于上海。