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液态金属电池厂商豪言 3~5年取代50%的锂电池

2024-02-22 16:56:25
来源:ESPlaza长时储能网

度电成本低于0.1元、能在700度高温下运行、未来会取代锂电池……

你可能听说过关于液态金属电池的种种描述,但你大概率没有见过实物。

西安,一家名为中锑新能源科技有限公司(以下简称中锑新能源)的液态金属电池新玩家,正计划在2024年底前开始将产品投向市场。

日前,该公司董事长王利群和研发中心副主任莫文非接受了ESPLAZA长时储能网的专访,为我们揭开了液态金属电池的神秘面纱。

1 从锑矿到锑电池

2021年,美国液态金属电池(液态锑电池)制造商Ambri获得了比尔盖茨等投资者1.44亿美元的融资,此消息一出,西藏华钰矿业连收15个涨停板。

中锑新能源的成立与这则消息密切相关。

中国是全球锑储量最大的国家,其中华钰矿业目前可控锑资源量17万金属吨,海外投资项目塔铝金业可控锑资源量26.46万金属吨,合计43.46万金属吨,占全球锑储量约23%。

如何将锑矿资源的价值最大化?Ambri的锑金属电池似乎是一个不错的选择。

王利群称:“公司一开始打算引进Ambri的技术,但因为种种原因,双方未能达成合作,于是开始寻找国内锑金属电池领域有一定研究进展的团队,并在机缘巧合之下接触到了清华大学史翊翔研究团队。”

早在12年前,史翊翔团队就开始做液态锑金属电池的研发,而且该团队开发的电池是全部使用金属锑的,与公司的发展初衷是完全吻合的,因此双方一拍即合,共同成立了中锑新能源。

2023年2月,由北京中锑技术中心(有限合伙)、北京中锑运营管理中心(有限合伙)、鹏辉能源控股子公司鹏辉锂能、北京中锑新能源科技有限公司与西藏华钰矿业股份有限公司发挥各方优势联合共同发起设立“中锑新能源”,致力于锑电池及储能系统的研发、生产、销售。

华钰矿业、鹏辉能源、清华团队深度合作,为中锑新能源锑电池研发和产业化提供坚实保障,其中华钰矿业凭借领先的锑矿资源储备为其长期发展提供稳定的战略资源保障,鹏辉能源则凭借巨大的下游市场资源为其研发和销售提供市场需求信息与客户资源保障。

2“两条完全不同的技术路线”

中锑新能源的成立从某种程度上来说和Ambri公司有一定渊源,但莫文非指出:“虽然我们和Ambri公司的电池都叫做液态金属电池,或者都叫液态锑电池,实际上我们走的却是两条完全不同的技术路线。”

Ambri公司的液态金属电池,严格意义上来说应该叫做液态金属合金电池,它采用的是三层液态结构,其正极为不活泼的锑金属,或者也可以用其他金属作为替代,如铋、锡等;负极采用钙、钠等属性相对活泼的碱金属或碱土金属,电解质为熔融盐。

电池放电过程中,负极金属(钙)失去电子,被氧化进入电解质中,再经由电解质迁移至正极,进一步与从外电路传导至正极的电子结合,并与正极(锑)发生合金化反应,形成钙-锑合金;充电过程则与之相反。

▲液态金属电池充放电过程示意图

Ambri公司的液态金属电池在工作温度下,正、负极和熔盐电解质均处于液态,三层液态带来多方面缺陷:为了保证液态的电解质层不发生短路,Ambri公司使用了较厚的电解质层,延长了离子传导路径,限制了这类电池的储能效率;

液态电解质在平稳状态下依靠密度差自动分层,但在震动条件下则极易失稳,发生短路,且活泼液态金属进一步加剧火灾风险,因此这款电池的应用场景会有限制。

和Ambri公司产品不同的是,中锑新能源的液态金属电池从原理上讲叫做锑空气电池,即电池的充放电过程是金属梯与空气中的氧气发生反应的一个过程。

莫文非指出:“锑空气电池以空气电极作正极,以锑金属电极作负极。放电时,空气中的氧气被还原为氧离子,氧离子通过固体氧化物与负极的液态锑发生反应,生成氧化锑,同时对外释放电能;充电过程则是逆向进行的,通过电解或者是还原氧化剂的形式,将氧化锑重新还原为锑和氧气。”

与三层液态结构相比,锑空气电池仅锑电极为液态,固态电解质层不存在失稳短路问题,可将电解质层厚度压缩至10~100微米,大幅降低损耗,提升能效,且固态电解质无失稳风险,可长期稳定运行。

另外作为一种比较新兴的储能技术,液态锑空气电池的优势还体现在以下几个方面:

首先,电池具有本征安全性。因为液态锑金属本身的活泼性是远低于目前使用较为广泛的锂、钠等碱金属或者碱土金属,锑在空气中不会发生起火爆炸的反应,并且在整个反应的过程中,液态反应的界面没有固体金属的产生,因此就不会对电池本身的结构造成原理性的破坏,显著提高了电池的安全性。

第二,锑空气电池的体积密度大,续航能力强。目前锂离子电池的体积密度最大能达到大概450瓦时每升,而已开发出来的锑空气电池工程样机的体积密度就已经达到了650瓦时每升,未来还能进一步提升到1000瓦时每升,远超锂电池及液流电池。

另外锂电池只能以充电的形式来补充电能,而锑电极本身能量耗尽之后,除了充电之外,还能使用多种其他的燃料维持电能,也就是说它不仅仅是一种蓄电池,又是一种发电站,可在储能电池模式与燃料电池模式间自由切换,实现“混动”运行,续航的能力相比其他的储能电池有进一步的提升。

第三,电池循环使用寿命长。因为锑空气电池本身在使用的过程中,电极是没有任何损耗的,并且具有动态自修复的反应过程,不会产生记忆效应。莫文非介绍,从实验数据看,其电池循环次数超过了1万次,使用寿命最长能够达到20年左右。

第四,我国的锑资源储量非常丰富,不存在资源卡脖子的问题。

第五,锑空气电池在使用的过程中,液态金属电极本身是以锑和氧化锑的形式存在,在整个锑电池的全生命周期之内是没有任何损失的,且回收过程简单,只需要将氧化锑重新还原为锑即可,残值非常高。

3 攻克技术难题

基于以上优势,待液态金属电池研发成熟,未来在储能市场上将会具有一定的竞争力。

尽管如此,液态金属电池仍存在一些缺点,比如,液态金属电池工作的时候会被加热到700度以上,此时液态金属具有较高的腐蚀性。

为解决这一问题,中锑新能源引入等离子喷涂工艺制备电解质,通过粉体融-凝过程调控涂层压应力场,提升晶粒结合强度,阻断液态金属沿晶界的传递,显著提升电解质耐液态金属高温腐蚀性能,将电解质寿命由十小时级提升至千小时以上。

当前也有不少团队在研发中低温/室温液态金属电池,对此,莫文非称:“首先中低温的液态金属电池本身在选材上就是一个问题,金属的熔点往往是比较高的,如果想做到中低温的液态金属电池,则需要开发合金体系,但其在电化学的表现形态上往往是不够好的,就需要找到一种比较合适的金属,难度较大;其次温度越低,电池的电化学反应越差。”

“高温液态金属电池除了电化学性能更好之外,金属的选择范围也更大,且纯金属也要比合金更利于回收。”

另外,液态金属电池采用液态电极,与固态电池相比其运行机制更为复杂,带来诸多设计和优化上的挑战。

为此,史翊翔团队经过多年的研究,构建了液态金属电池多物理场耦合模型,解耦电池内部复杂反应传递过程的相关作用关系;发展液态金属电池主要运行参数的追踪仿真方法,提出了液态锑金属电池全充放电周期运行调控策略,并在国际上首次提出基于浮体电解质的电池运行稳定化技术。

同时,该公司还开发了多燃料适应的液态锑发储电一体电极,面向不同用户需求实现发储电一体。

4“3~5年,取代50%的锂电池”

近年来,液态金属电池领域涌入了一些新的玩家,日渐受到资本的青睐。

据悉,武汉吉兆储能科技有限公司于2023年年底完成天使轮融资,恒辉科源(西安)新能源技术有限公司和中锑新能源也都正处于融资阶段,国内锑电池产业应用突破在望。

王利群称:“我们希望在3~5年,能够把整个中国储能市场上50%的磷酸铁锂电池替换成锑电池,这是公司一个大的发展规划。”

为实现这一发展目标,中锑新能源提出了明确的“三步走战略”。王利群指出:“我们第一步是把工程样机做出来,今年6月份开始做中试线,年底把正式的产品做出来以后,拿到客户测试验证以及国家的认证报告,明年开始在市场上正式销售。”

当前,面向4小时储能的一套100 kWh锑储能系统成本约为9.75万元,相应的每千瓦时成本约为975元人民币,与现有锂电池相当,低于液流电池。考虑到锑电池更长的循环寿命和回收价值,其全生命周期成本将更低。

另外在储能时长上,可以通过提升锑空气电池的容量来保证几十小时甚至到100小时左右的持续稳定放电,目前无论是锂电池还是液流电池,都无法实现。

王利群说道:“从长远来看,随着新能源的不断发展,未来静态储能每年的年化增长是62%,5年以后这是个万亿级的市场。和现有电化学储能技术相比,液态金属锑电池在成本以及储能时长方面都具有非常强的竞争优势。”

发布人:caoyang
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