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下一代電池:瑞士科研人員參與開發充電技術

2020年11月,一名工程師走過英國考文垂新落成的工業化電池中心。歐洲各國都在擴大新電池技術的生產與開發。 Jason Alden / Bloomberg

電池無處不在,我們的手機、筆記本電腦和汽車裡都安裝著電池,但低成本、高性能的理想型未來技術至今仍未被科學家發現。而歐洲和瑞士的多個重要研究計畫正嘗試滿足對電池創新和電能儲存的需求,預計在未來十年內會取得結果。

此内容发布于 2021年09月24日 - 09:00

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設於日內瓦的世界經濟論壇(WEF)最近在一份重要報告中表示:“電池可使運輸和電力部門達成所需碳減排的30%,為目前無電可用的6億人提供電力,並在全世界創造1000萬個安全和永續的就業機會。”

目前亞洲主導著主流電池市場,90%以上的生產都在中國、韓國和日本進行。但歐洲希望迅速趕上。在汽車工業的推動下,歐盟希望在歐洲大陸建立電池生產,以免對世界其他地區的技術依賴。

International Energy Agency (IEA)

“現在我們尚為快速追隨者,但歐盟的想法使我們在電池研究和創新方面有一個良好的基礎,”瑞士聯邦材料科技實驗室(Empa)專家Corsin Battaglia解釋說。瑞士雖不是歐盟成員國,但密切參與了歐洲的電池研究計畫。

四年前,歐盟啟動歐洲電池聯盟以構建生產和研發能力。據交通與環境非政府組織稱,作為這方面發展的一部分,歐洲各地計畫建立近40個巨型電池廠,即所謂的超級工廠。如果這些工廠全部投入運營,那麼歐洲大陸到2025年將佔全球電池市場20%,每年價值達2500億歐元。

瑞典北部巨大的Northvolt Ett鋰電池廠佔地面積將達到50萬平方米,相當於70個足球場。 William Steel (Northvolt)

目前尚未計畫在瑞士建造超級工廠,但藉助國內的研究機構和專業企業,這個阿爾卑斯山國正與電池工業發展緊密相連。

“無論是材料、電池與組件組裝、電子、電池管理系統、回收,還是移動或固定存儲,瑞士都有眾多企業活躍在電池領域,甚至是世界領先者,”Battaglia透露。

自我修復電池

多年來鋰電池一直是主導存儲技術,預計未來十年的需求將增加十倍。這種電池的價格在過去30年裡幾乎下降了100%,但其科技基本沒有變化。為了滿足未來的需求,將需要替代性的電池技術,例如儲存更多電能的持久性組件。

這就是總值4000萬歐元的歐洲電池2030+研究計畫的意義所在。去年啟動的這個計畫包括七個大型研究計畫,得到瑞士在內的九個歐洲國家的支持。其中一個項目為“HIDDEN”,旨在將鋰電池的平均壽命和電荷密度提高50%。

伯恩應用科技大學(Bern University of Applied Sciences)的一位HIDDEN項目經理Axel Fuerst解釋說,電池內微小纖維狀結構-即所謂鋰枝晶-的形成,是影響鋰金屬電池壽命的大問題。

“鋰金屬具有很大的電荷密度,因而能被用來製作更輕巧更高效的蓄電池。但鋰枝晶生長非常快,此類電池的壽命也就比較短,”他介紹道。

為解決這個問題,該團隊正在研究電池內部的自我修復過程。他們希望專門開發的熱敏性離子液晶電解質,加上添加劑和產生電場的壓電分離器,可以一起分解和抑制鋰枝晶的形成。該團隊正在建立第一個概念模型,到2023年之前將得到驗證,隨後再擴大規模。

少用稀有金屬

與此同時,Battaglia和他的Empa團隊還在協調“SENSE”,一個歐洲鋰電池研究計畫。這個項目有意生產所謂的“第3b代”鋰電池,採用矽-石墨複合陽極和富鎳的鎳錳鈷(NMC)陰極,其目的是提高電荷密度,得以延長車輛的駕駛里程、促進快速充電,並減少稀有金屬的使用。

Corsin Battaglia(右)和來自瑞士聯邦材料科技實驗室的研究員Marie-Claude Bay,該實驗室密切參與了歐洲電池研究。 Empa

“我們希望減少鈷的用量,並增加鎳的用量,”這位Empa研究員表示。

鈷是電池中最昂貴的材料之一。生產商正在努力減少鈷的使用,因為鈷的採購具有挑戰性(多語)外部链接。世界上大約70%的鈷來自剛果民主共和國,而那裡的礦工工作條件很差,同時大多數鈷的提煉作業則在中國進行。

Battaglia說,創造理想的電池很複雜,且往往要權衡利弊-鎳增加了電池的電荷密度,也更便宜,但它使電池降解得更快。

這個團隊還在致力於開發新的快速充電傳感器,以使電池能更快更有效地充電。

Battaglia指出:“我們想了解電池內部的局部溫度和電位,並(更快地)對電池內部進行測量,以便能夠推動快速充電。”

2020年5月,瑞士西部伊韋爾東(Yverdon-les-Bains)Leclanche工廠的一名工人在組裝電池。 Leclanche公司是基於鋰電池技術高質量儲能解決方案的一家世界領先供應商。 Keystone / Laurent Gillieron

固態電池

固態電池使用固體電解質來取代鋰電池中的易燃液體溶液,在電池界,圍繞固態電池有很多興奮點。據說固態電池更高效、更安全,使用的原材料也更少。電池原型表明,它們可以比相同重量和體積的鋰離子單元多儲存80%的電能。

Battaglia提到,這類技術似乎提供了許多好處,但當前它們仍屬於僅限實驗室的“潛在”優勢。他坦言,很難開發出一種同時具有高存儲容量和長壽命的電池。

“要製造一個具有雙倍電荷密度的電池不是問題,但也許我只能充20次電,然後電池就壞了,”這位研究人員解釋。雖然可以通過以金屬鋰代替石墨使電池的電荷密度增加一倍,但對含鋰量過高的電池快速充電會導致鋰枝晶生成,從而縮短電池壽命。

如果固態鋰電池成為主流,那麼它們或可同時解決電荷密度與電池壽命的問題。 Empa正在與十幾個歐洲夥伴合作開展“SOLIDIFY”項目,這個項目旨在為所謂“第4b代”電池開發製造工藝,此類固態電池有望在十年後投入市場。

World Economic Forum, Global Battery Alliance; McKinsey analysis, IEA, 2018b; IPCC, 2018

高效固定儲能

能夠儲存可再生能源的固定儲能系統也將在未來幾十年內大規模擴展。鋰離子和鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)電池已經被用來儲存住宅生產的太陽能和風能。科學家現在正在探索使用鋅、釩或鈉的替代產品,這些替代品被證明非常適合進行固定儲能。但它們的規模尚需擴大,以滿足不斷增長的需求,同時具有成本競爭力。

瑞士綠色經濟研討會

9月2-3日於瑞士溫特圖爾(Winterthur)舉行的本次會議(德)外部链接匯集了來自公共和私營部門的與會者,共同討論實現聯合國製定的永續發展目標的挑戰和解決方案。可再生能源和原材料的採購也是2021年活動的關鍵主題之一。

瑞士資訊swissinfo.ch作為媒體合作夥伴,在今年的研討會上共同組織並主持了一個關於高效和永續性交流的論壇,其中包括關於“解決方案新聞”的演講。敬請關注,並在這裡(英)外部链接查看更多資訊。

借助歐洲SOLSTICE電池項目努力實現這一目標的12個合作夥伴當中,就包括Empa和瑞士企業FZSONICK與Quantis。他們的目標是開發可在高溫下運行,用於儲存電能的鈉鋅熔鹽電池。

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Battaglia表示,隨著可再生能源儲能系統和電動汽車的數量成倍增加,未來幾十年內電池將越來越重要,瑞士的企業-不僅僅是現有公司-都將尋求從中受益。

“經常有瑞士企業來和我接觸,這些公司雖不從事電池領域,但憑藉他們在製造或組裝方面的專長,他們自認為可以進入這個市場。”

(譯自英文:小雷)

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