450Wh/kg，這是截至目前投入實用的能量密度最高值!不止于此，安普瑞斯已經公布說，不久的將來將推出能量密度為500Wh/kg的鋰電池。
正極材料創(chuàng)新已到瓶頸期
先來看看為什么說450這個數字不易得。
據電車匯統計：從2019年第3批目錄申報車型到2020年第13批推薦目錄，磷酸鐵鋰電池系統能量密度雷打不動，一直都是161.27Wh/kg。
2022年第1批推薦目錄中，除了宇通的一款車型達到了最大值161.29Wh/kg以外，多數廠商依舊在161.27Wh/kg這個數字上打轉。
也就是說，磷酸鐵鋰電池的理論上限已經很難突破。
那么高能量密度的三元電池現狀如何?
2021年7月，在工信部最新一批新能源汽車推薦目錄中，一汽集團申報了新款紅旗E-HS9，搭載的是寧德時代生產的三元電池，系統能量密度高達206Wh/kg。在此批次目錄之前，能量密度最高的是國軒高科，為北汽和長安兩款車型配套的電池能量密度均超過200Wh/kg，達到201Wh/kg。
也就是說，在目前能夠量產的三元電池中，能超過200Wh/kg已經殊為不易。
磷酸鐵鋰和三元兩個詞都是針對正極材料而言。從近年來的電池創(chuàng)新來看，一方面是正極材料成本占比很大，另外也是因為鋰電池的技術創(chuàng)新主要從正極來進行。
除了正極材料創(chuàng)新，還有電池結構等創(chuàng)新，這方面特斯拉于不久前剛剛量產的4680是典型代表。據官方介紹，新的電池包采用無模組設計，大約有960個(40x24)電池組成，相比上千個2170電池組成的電池包要少很多，因為4680電池的能量密度提升了5倍，達到了300Wh/kg。
負極材料可能突破
既然從正極出發(fā)遇到了困境，那么是不是從負極出發(fā)來進行技術創(chuàng)新，來提升能量密度?安普瑞斯就是這么做的。
先來了解一下目前鋰電池常用的負極材料：
在石墨大規(guī)模用作鋰電池負極材料之前，負極材料已經經歷過兩次顛覆式創(chuàng)新。1991年，日本索尼聯合旭化成株式會社公布商業(yè)化鋰電池，當時負極材料采用的是石油焦。后來石油焦被中間相碳微球(MCMB)替代，這是一種從瀝青中提取出來的小球體材料。由于智能手機的深入應用，MCMB生產復雜且效率很低，于是它在負極材料的霸主地位逐漸被石墨取代。由于石墨導電性好，結晶程度高，具有良好的層狀結構，十分適合鋰離子的反復嵌入-脫嵌，是目前應用最廣泛、技術最成熟的負極材料。更重要的是制取方便，不僅有天然石墨，而且人工也可以制取石墨。
現在人工石墨技術已經非常成熟，尤其是我國企業(yè)在這方面具有成本優(yōu)勢，使得我國貝特瑞、璞泰來、上海杉杉等負極材料企業(yè)占據了超全球80%以上的市場。
生產石墨負極材料的公司幾經技術迭代，目前來看，開發(fā)的高端產品已經達到了360mAh/g 的指標(璞泰來數據)，達到了石墨比容量372mAh/g的理論極限。
也就是說，無論再怎么技術進化，從石墨這里挖到的潛力已經有限。
人們把視線轉向了理論比容量比石墨要高的硅基材料。理論上講，硅基材料比容量能超過4000mAh/g，這是石墨材料的十倍。
但是高容量也帶來很大的負面影響。其中最重要的是高損耗，鋰離子電池在使用期間，形成回路的鋰離子會在負極上結合電子。這個過程相當于鋰離子鉆進了負極材料，形成的鋰結晶會把負極結構擠爆。也就是說，吸收的鋰離子越多，帶來的能量越大，但破壞得也越劇烈。尤其是硅晶體是正四面體結構(石墨是層狀結構)，所以更容易膨脹，膨脹率可達到300%。這會讓電池變得更加不穩(wěn)定。
華裔天才的構想
如何克服這個問題，中外科學家都在努力。
去年5月12日，在中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯盟2021年度會議上，國家動力電池創(chuàng)新中心交出了一款能量密度高達356Wh/kg的三元鋰電池，這款電池采用的就是硅基負極材料。不過該款電池目前處于原型階段還沒有達到量產。
安普瑞斯解決高比容帶給電池爆炸風險的方式是使用硅納米線。
安普瑞斯的硅納米線技術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構，這種結構的硅材料可以通過軸向膨脹很好的釋放應力，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，使用硅納米線的負極厚度僅為碳材料負極厚度的一半。
根據Enpower的數據，目前特斯拉的Model 3電池是最先進的，能量密度也僅有 260Wh/kg(730Wh/ l)。按重量計算，Amprius鋰電池的能量比特斯拉Model 3的電池高出73%，而體積卻減少了37%。
這一方案的提出者也就是安普瑞斯的創(chuàng)始人之一，華裔教授崔屹。2007年，還在斯坦福材料科學與工程系擔任教職的他，在Nature Nanotechnology上發(fā)布了《使用硅納米線的高性能鋰電池負極》的論文，詳細闡釋了硅納米線技術在鋰電池中的應用。根據當時的測算，硅納米線會讓電池能量密度上升30%-80%。看到這一可能的風口，風投市場的不少人都下場勸說崔屹將技術商業(yè)化。2008年，崔屹與風投合伙人Mark Platshon共同成立安普瑞斯，董事會里面甚至有朱棣文的名字，而朱棣文和崔屹一樣都是屬于斯坦福學術圈的學者。
雖然安普瑞斯總部在美國，但是產品的商業(yè)化生產又回到了負極材料大國中國。早在2014年，安普瑞斯就與無錫工業(yè)發(fā)展集團合資籌建安普瑞斯(無錫)有限公司，用于硅納米線的成熟應用和生產。
不過比起當時的規(guī)劃，安普瑞斯的商業(yè)化現實要艱難得多。2021年12月，安普瑞斯宣布，正在努力實現每年數百兆瓦時的電池量產，預計將在2024年開始大規(guī)模生產。
來自特斯拉的評判
安普瑞斯曾在 2021年11月8日宣布了405Wh/kg的電池，僅幾個月能量密度就達到了 450Wh/kg。去年 12 月，該公司稱其370Wh/kg的版本可以在大約6分鐘內從0 充電到80%。
安普瑞斯科技公司的首席運營官伯恩斯坦說：“與之前在2021年11月8日宣布的405Wh/kg產品相比，這一進步凸顯了我們在提供具有無與倫比的性能的產品方面的路線圖的加速。我們專有的Si-NanowireTM平臺和我們開發(fā)的綜合解決方案實現了無與倫比的性能，并繼續(xù)保持我們的產品領先地位。”
然而這套“完美”的解決方案，依舊存在著高昂的代價。硅納米線屬于納米材料，生產難度高。并且為了形成穩(wěn)定循環(huán)需要進行預鋰化處理。
安普瑞斯2月16日發(fā)布消息中的“高空偽衛(wèi)星”項目，類似高空氣球，目前用于商業(yè)化的也只有這一個項目。雖然伯恩斯坦是把商業(yè)化預期放到了“飛行汽車”和無人機上，甚至規(guī)劃了500Wh/kg電池的量產。但有媒體認為，安普瑞斯距離降低成本大規(guī)模生產還很遙遠。
有人認為，安普瑞斯這么著急，是因為投資者等不下去了。這項技術在2020年已經吸引了超過1億美元的融資，投資人包含美國最大風投公司KPCB、Trident投資公司、VantagePoint投資公司、谷歌前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空客公司。
面對有限的產出，安普瑞斯未來可能會接受特斯拉的幫助。馬斯克一面嘲笑說“硅負極電池循環(huán)壽命太差”，高容量的400wh/kg電池要在2024年才能前后出現，還稱特斯拉與Amprius之間什么都沒發(fā)生;另一方面又曾在電池日活動背景中加入了硅納米線結構圖作為宣傳。有媒體評論說，硅納米線電池的商業(yè)化落地，可能還是需要特斯拉，馬斯克對安普瑞斯別別扭扭的態(tài)度只是想降低安普瑞斯的籌碼，另一方面也是在期待成本的下降。
目前420-450mAh/g 容量的硅基負極材料(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。
硅納米線負極材料的商業(yè)化進程依舊受制于成本。
固態(tài)電池同為競爭者
與安普瑞斯發(fā)布的硅納米線負極電池一樣，近期以來還有一個指向提高能量密度的技術創(chuàng)新方向：固態(tài)電池。
一般認為液態(tài)鋰電池的能量密度達到300Wh/kg已經是非常出色的表現，而固態(tài)電池普遍可以達到300-400Wh/kg。
固態(tài)電池與目前主流傳統鋰離子電池最大的不同在于電解質，它是用固體電解質替代了傳統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)生副反應等，固態(tài)電池具有更高的安全性。
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，并直接導致了固態(tài)電池的量產困難。由于固態(tài)電解質與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯系的，電極與電解質之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質中傳輸動力低，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。
固態(tài)電池中近期最具爆炸性的一則消息是2月4日晚，固態(tài)電池廠商SES登陸紐交所。這家成立于2012年的公司是由華裔科學家胡啟朝創(chuàng)辦的，在其股東名單上可以看到天齊鋰業(yè)、通用汽車、上汽集團、吉利集團、韓國SK集團、美國應用材料公司等等眾多業(yè)界大名鼎鼎的公司，顯然眾多企業(yè)都對它寄予厚望。
另外一則消息是，工信部2月20日發(fā)布的《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》(第五十一批)，由東風公司技術中心自主開發(fā)的東風風神E70固態(tài)電池車名列其中，獲得免稅許可。標志著東風公司率先開始固態(tài)電池車量產。
動力電池后續(xù)將會怎樣發(fā)展，讓我們拭目以待。但無疑，在正極材料革新還沒有大的進展之時，從負極材料等角度進行革新將帶來意想不到的成果。
