固态电池重大突破:能量密度约为特斯拉4680电池两倍

近日,美国航空航天局(NASA)表示其研发的航空用固态电池取得了重大突破。

NASA在其官方网站介绍,NASA目前所研发成功的固态电池的能量密度达到了500Wh/kg,几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特斯拉公司的4680锂电池的能量密度约为300Wh/kg。

2021年4月,NASA宣布其改进固态电池充电效率和安全性项目(eSolid-stateArchitectureBatteriesforEnhancedRechargeabilityandSafety,“SABERS”)部门将为电动飞机研发固态电池,相较于现有的液态电解质锂离子电池,其具有更高能量密度,电池体积更小,受到冲击后能够继续使用,起火风险也会更低。

据了解,NASA的固态电池为硫硒电池,其电解质材料利用廉价并易获得的硫,电池还利用了NASA此前研发的“多孔石墨烯”材料,导电性好,质量也较轻。由于固态锂电池没有液体电解液,因此降低了液体起火爆炸风险。

此外,在电池的封装上,与普通锂离子电池单个封装不同,NASA的固态电池在单个外壳内将电芯堆叠在一起,这种方法使得电池重量减少了30%-40%。

“SABERS对电池的新材料进行了试验,这些材料在放电方面取得了显著进展。在过去的一年里,该团队成功地将电池的放电率提高了10倍,其后又提高了5倍,使研究人员距离为大型车辆提供动力的目标更近了一步。”NASA在其新闻稿中表示。

据介绍,电动飞机和NASA的先进空中机动项目将是新电池技术的主要受益者。

站上风口的固态电池

无独有偶,最近,另外一则关于固态电池的消息也引发了公众广泛关注。

据国内多家媒体报道,来自哈佛大学的华人教授李鑫与其学生叶露涵,研发的新型固态电池可重复使用1万次,充电速度最快3分钟,相较而言,目前最好的固态电池循环次数为2000—3000次。

两人于2021年5月发表在《自然》(www.nature.com)杂志上的相关论文介绍了这种新型固态电池的原理。研究者在论文中表示,其制备了一种具有界面稳定性的多层结构锂金属固态电池,从而实现了在超高电流密度下稳定循环且抑制枝晶渗透现象。

电池多层设计特点在于将不稳定的电解质夹在稳定的固态电解质之间,构成了“三明治”结构,且通过在不稳定的电解质层中实现裂纹良好的局部分解,抑制了任何锂枝晶的生长。

据上图所示,从左到右,“三明治”电池结构分布为锂金属负极→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(镍锰钴811)正极。石墨介于锂金属负极和第一层固态电解质之间,主要用于隔热。

据论文描述,夹在两边的第一层固态电解质为Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI),特点在于对锂金属表现较为稳定,但容易发生锂枝晶穿透。它的存在能够稳定锂金属和石墨层的主要界面,并降低整体过电位。

夹在中间的第二层电解质为Li10Ge1P2S12(LGPS),对锂金属的稳定性较差,但不易发生锂枝晶穿透。中间的电解质可换成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS),也能获得类似的性能表现。

锂枝晶可以穿过石墨和第一层电解质,但到达第二层电解质时被拦截。通常的锂金属固态电池反复多次充放电,陶瓷颗粒中会频繁产生微米或亚微米级裂纹。裂纹一旦形成,锂枝晶穿透及短路现象就难以避免。“三明治”中间的这层固态电解质,让锂枝晶无法刺穿整个电池,从而避免了电池正负极发生短路甚至起火。

不仅在安全性上得以提升,该技术以锂金属作为负极,LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作为正极构成展现了优异的循环性能。其在1.5C(0.64mAcm-2)和20C(8.6mAcm-2)的放电倍率条件下,循环2000次和10000次之后,容量保持率达到81.3%和82%。此外,电池的微米级正极材料能够实现110.6千瓦/千克的比功率和高达631.1瓦时/千克的比能量。

为了进一步推进对固态电池的研究,两名研究者已经成立了一家电池初创公司——AddenEnergy,叶露涵担任首席技术官。据报道,今年,AddenEnergy融资515万美元(约3570万元人民币)。

固态电池上车有何之难?

放眼全球,固态电池并不是一个全新的产物。传统的液态锂电池中,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池完成充放电过程。固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态。

早在2017年,总部设在加州安纳海姆的美国电动汽车公司Fisker发布了一项固态电池专利,充电1分钟,续航800公里。创始人HenrikFisker表示,该公司的固态电池会在2023年量产,价格只有传统锂电池的三分之一。然而2021年,HenrikFisker表示,已彻底放弃固态电池计划。

目前,全球范围内唯一实现动力固态电池商业化的是法国博洛雷集团(BolloreGroup)。2011年10月,博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载由BatScap制造的固态电池,共投入2900辆电动车。但这款固态电池包的容量只有30KWh,能量密度仅有110Wh/kg。

在业内人士看来,固态锂电池的产业化,从技术层面来看,依然存在不小的挑战。

首先是固态电解质的离子电导率较低,特别是在低温环境中。其次是电极—电解质的固固界面处的界面电阻大。此外,固态电池采用的预锂化硅碳负极或未来的金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新材料,完全颠覆当前的液态锂电池体系,生产成本远高于目前对应的材料,降本之路极其艰巨漫长。

据了解,目前固态电解质材料有三种主流体系:聚合物,例如将六氟磷酸锂掺杂到PEO中;氧化物,如锂钢锆氧化物(LLZO),NASICON等;和硫化物,如LPSX(X=Cl,Br,I)。

这三种材料路线中,聚合物体系的优点是高温离子电导率高,方便加工。但它在室温下离子电导率极低,制约了其发展。例如法国博洛雷牌固态电池就选用了聚合物体系,为了让电动车能在室温下正常工作,博洛雷集团特意为每辆车配载了加热器,发动前将电池系统升温至60℃至80℃。

而氧化物体系的优点是综合性能佳,但电极之间的界面电阻高于聚合物体系。其中薄膜型产品对工艺技术要求苛刻,成本与规模化生产难度很大。非薄膜型产品是目前最可靠的电动汽车电池解决方案。

硫化物体系的优点是离子电导率堪比液态电解质,这也是日韩公司丰田、本田、三星和中国电池巨头宁德时代选择的技术路线。但硫化物体系的开发进度处于最初级,生产环境限制和安全问题是最大的阻碍,无法商业化量产的风险也最高。

尽管难度重重,然而,在追求未来锂电池能量密度和安全性的道路上,固态电池仍然被寄予了厚望。据了解,目前,全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所在致力于固态电池技术的推进。

欧美方面,宝马集团2022年向总部位于美国科罗拉多州的固态电池初创公司SolidPower投资了1.3亿美元,计划2025年前推出搭载固态电池的原型车,2030年前实现量产。

梅赛德斯-奔驰公司今年与美国马萨诸塞州固态电池创业公司FactorialEnergy达成了战略协议,将对其投资约10亿美元金额支持固态电池研发,并于2022年开始测试原型车,五年内实现小批量产。

大众集团在2018年向位于美国硅谷的固态电池初创公司公司QuantumScape注资1亿美元,2020年又追加2亿美元。今年,大众集团宣布会在2025年在其电动车辆上使用固态电池。

日韩方面,丰田公司在2008年就与固态锂电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作,其计划在2025年推出采用固态电池的混合动力汽车。三菱、日产、松下等企业也都加速了固态电池布局。据了解,目前丰田公司拥有固态电池全球相关专利1331项,居全球第一,松下272项位居第二。

国内方面,蔚来汽车在去年1月9日的NioDay上发布锂能量密度为150Wh/kg的固态电池,其计划2022年第四季度实现量产。宁德时代方面此前表示,公司第一代固态锂电池的能量与目前的锂离子电池大致相同,预计2025年推出,第二代固态电池有望在2030年后推出。除此之外,孚能科技、蜂巢能源、赣锋锂业等国内企业也都宣布了固态电池的布局。

战略制定四步法

制定战略的四步法:预见—找魂—聚焦—协同。四步法的原点起于战略预见,判断趋势和转折点;核心是找魂,找出定位、方向和指导方针;进而找到关键点进行聚焦,寻求突破;最终围绕战略目标和聚焦点,将各种要素和行动协同起来形成系统力量来达成战略目标。

战略就是预见

成功的预见,是科学地调研基础、立体地跳出思维方式、敏锐地洞察以及准确地对标这四项方法的综合体现。

第一,调研,建立预见的底层根基。做好调研的三个关键之处:与战略决策者沟通,必须到一线接地气,发现真问题。

第二,跳出,站在月球看地球。我们时常通过以下几种”跳出“来研判大势:跳出空间、跳出时间、跳出区域、跳出行业、跳出自身/战略主体/当事人、跳出对手/竞争与重视需求、跳出惯性、跳出路径依赖、跳出成功模式、跳出思维定式等。

第三,洞察,发现关键变化。德鲁克先生有句名言:“重要的不是趋势,而是趋势的转变”,这些变化背后的“为什么”,才是战略人感兴趣的东西。洞察不是灵光一现,而是逻辑推导。洞察说到底还是透过现象看到本质的能力。

第四,对标,建立参照系。成功预见需要寻找参照系,大势把握离不开切片式分析。在行业中,参照系可以是竞争企业或领先企业;项目中,参照系可以是成功项目案例;区域中,参照系可以是世界领先发展城市。

战略就是找魂

找魂主要回答我是谁、我从哪里来、我要去哪里,解决唱什么调、树什么旗、走什么路等战略最核心的问题。找魂是一项系统工程,首先要明确要找的“魂”是什么,然后才能确定找魂的方法。

“魂”是什么。对个人,魂是理想,是前行指路的明灯,没有魂就没有坚定的方向;对企业,魂是决定企业核心竞争力的努力方向;对区域,魂是城市特质的体现,蕴藏着千百年来的历史积淀,能展现它的未来与蓝图。对中国,魂是中华民族屹立于世界民族之林不倒的“中国文明”。

何为“好魂”。判断所找的魂是否精准的四个标准,第一,是做到独秀;第二,是基于长板;第三,是“说人话”;第四,是四度协调,系统联动,从高度、广度、深度、关联度这四个角度全面把握项目。

如何“找魂”。找魂需要把握几个内容,一是认清本质,二是认清主次,三是认清阶段,四是认清关系。找魂的方法有以下四种:

第一种,大势把握、顺瓜摸藤。采用逆向思维,大胆假设,小心求证,顺着结果搜寻路径和线索。

第二种,抓大放小。找魂宜粗不宜细,方向大致正确,再通过科学方法和实践去验证、逼近和修正。

第三种理念创新。可以是产品/服务/流程创新,或组织创新,但最具价值的是战略创新。

第四种迅速抓取。战略过程中,一切是那么迅速与突然,有时来不及慢慢思考,建立模型再仔细验证。

战略就是聚焦

聚焦,就是集中优势兵力,饱和攻击。那么找到核心优势之后,如何辨别做什么和不做什么呢?符合战略方向的就做,不符合方向的即便机会再诱人也不做,不在非战略机会点浪费战略力量,精准取舍,拒绝诱惑,拒风险于门外。

总的来说,战略形势千变万化,但好战略一以贯之,即聚焦关键,包括:牵好产业“牛鼻子”——聚焦关键行业;确定发展主航道——聚焦关键业务;打磨战略产品——聚焦关键产品;找准战略焦点——聚焦关键区域;抓住核心引爆点——聚焦关键环节。

战略就是协同

好的战略需要“上接天,下接地,中间市场能通气”,这就是战略协同。所谓协同,就是按照一定的规则,使分散的战术、要素等在整体战略的协同下形成有机组合的“连贯活动”。

要协同处理战略制定与实施执行的不一致性,形成统一方向、系统力量和一致行动,需要达成以下几个方面的协同:

组织协同:整个组织各层级各部门“力出一孔”,包括组织内部流程的协同、总部与分部的协同。

生态协同:统筹外部合作利益关系,构建生态圈。比如,在推动城市项目建设中,智纲智库提出了“产智融府协”的产业协作理念,即产业、智库、金融机构、政府、行业协会五方面力量的协同与整合。

政商协同:打造三方满意的闭环项目,即政府的经营环境,企业的经营市场,民众的经营文化三方满意。

资源协同:不求所有,但求所用。通过协同,还可以整合相关要素,改变要素间的相应关系,使之从孤立到关联,从无序到有序,从离散到系统,从而使各部分与各环节之间建立其整体性的联系,产生系统效应。

一直想给父母买一台扫地机器人,这样一来两位老人就不用手动扫地、拖地了,能有更多时间看看电视、外出健身。不过想要挑一款合适的产品还真不是一件容易的事,毕竟现在国内扫地机器人的品牌、数量真是不少。大致了解了一圈,最后把目标放在了小米米家全能扫拖机器人1S上面。
来说说我买这款产品的理由。现在扫地机器人可以扫地、拖地已经不是什么新鲜事,不过小米米家全能扫拖机器人1S的一系列全自动清洁功能确实吸引人。扫完地、拖完地能够自己集尘、洗拖布、烘干拖布,可以说是省去了不少事。而且这款新品还加入了上下水功能,可以连接家中的进水管路跟下水管路,无需再手动加清水、倒污水。另外,清洁剂也支持自动添加。看介绍小米米家全能扫拖机器人1S还能用小爱音箱语音控制,这对于老年人来说太友好了。听说,未来这款产品会直接接入小爱同学,家里没有小爱音箱也能语音控制。


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