能源部资助能量密度提高四倍的电池项目

电池技术的登月计划

美国能源部已宣布资助六个研究团队，他们的任务是开发能够提供四倍于当今最好的商用锂离子电池能量密度的电池技术。这些团队来自国家实验室、大学和私营公司，被赋予了雄心勃勃的两年时间表，不仅要生产实验室奇观，还要生产能够现实地扩展到生产规模的可制造原型。

该倡议代表了联邦政府近年来设定的最激进的电池开发目标之一。当前最先进的锂离子电池在电池级别达到250至300瓦时每公斤的能量密度。四倍的改进将使能量密度推向每公斤1000瓦时或更高，这一阈值将从根本上改变几乎所有依赖存储电能的应用的经济性和能力。

四倍能量密度的具体目标并非武断。在这个水平上，电池变成了革命性的而不仅仅是现有技术的增量改进。影响范围包括多个部门：

军事应用：士兵携带越来越多的电子设备，从收音机和传感器到无人系统和电子战设备。重量减少四分之三而能量容量相同的电池将大大减少步兵的物理负担，并延长电池供电军事系统的作战耐力。
电动汽车：能量密度提高四倍将使电动汽车在单次充电时能够行驶超过1000英里，或者，车辆保持当前续航里程但电池组显著更小更轻。这将消除续航焦虑作为采用的障碍，使电动汽车在每个性能维度上都与燃烧引擎竞争。
航空：电池重量是小无人机以外任何东西实现电气化飞行的主要障碍。能量密度四倍于当前的电池将使电动地区飞机成为可能，并大大延伸军用和商用无人机的范围和有效载荷能力。
电网储能：更高的能量密度意味着更少的空间内有更多的存储容量，减少了电网规模电池装置的土地使用和材料需求，这对于整合间歇性可再生能源至关重要。

实现电池能量密度四倍改进是一个极其雄心勃勃的目标，不能保证六个资助团队中的任何一个会在两年的时间框架内成功。锂离子技术已经过三十年的密集研究和开发的完善，剩余的增量改进机会正在减少。达到四倍当前性能几乎肯定需要根本不同的化学或体系结构。

研究界正在探索几种候选方法，尽管能源部尚未公开详细说明每个资助团队追求的具体技术。最有前景的途径包括以下几点：

锂硫电池：硫阴极提供了几倍于常规锂离子阴极的理论能量密度。然而，锂硫电池历来因电解质中硫化合物的溶解而遭受快速容量衰退，在商业规模上解决这个问题已被证明是难以捉摸的。
固态电池：用固体电解质替换常规锂离子电池中的液体电解质使得能够使用锂金属阳极，其具有比当前电池中使用的石墨阳极高得多的能量密度。固态技术已吸引了巨大的投资，但面临延迟商业化的制造挑战。
锂空气电池：这些电池使用来自环境空气的氧气作为阴极反应物，理论上提供任何电池化学中最高的能量密度。实际的锂空气电池在很大程度上仍处于研究阶段，在循环寿命、效率以及对湿度和污染物的敏感性方面存在重大挑战。
先进的硅阳极：硅的储锂量可以大约是石墨单位质量的十倍，但在充电期间膨胀剧烈，这会导致机械退化。正在开发纳米结构硅和硅碳复合材料来缓解这个问题。

也许能源部倡议最重要的方面是其对可制造原型的重视。电池研究的历史充满了实现令人印象深刻的能量密度但无法大规模、以有竞争力的成本或具有充分循环寿命生产的实验室演示。通过要求资助团队展示可制造性，能源部试图避免庆祝永远不会转化为商业产品的研究结果的常见陷阱。

这一要求增加了实际约束层，塑造了哪些技术方法是可行的。能够实现非凡能量密度但需要仅以微小数量获得的异国情调材料或无法扩大到实验室之外的制造过程的化学物质不会满足该计划的目标。各队必须在原始性能指标的同时考虑供应链、成本和生产可扩展性。

美国并不是唯一追求先进电池技术的国家。中国、日本、韩国和欧盟都有主要的电池研究和制造计划，全球争夺开发下一代电池的竞争是本十年最重要的技术竞争之一。首先实现突破性电池性能的国家或地区将在汽车制造、防御能力和能源基础设施方面获得重大优势。

能源部的投资反映了一种认识，即美国无法承受在这场竞争中落后。先进电池越来越不仅被视为商业机会，而且被视为国家安全和经济竞争力的问题。两年的时间表在任何标准下都是激进的，但它反映了竞争的紧迫性和成功的潜在回报。

如果六个团队中的任何一个能够提供具有可制造设计的四倍能量密度目标，结果将是本世纪最重要的材料科学突破之一，一个有可能同时重塑运输、能源、防御和消费电子产品的突破。

本文基于Defense One的报道。阅读原文。