具有改善的性能和可回收性的半价锂离子电池

位于剑桥的24M总部的中试工厂已经生产了数千个测试电池，以证明新设计的效率。

麻省理工学院的衍生公司24M重新发明了锂离子电池的制造工艺，以降低成本，提高性能并使其易于回收。

麻省理工学院的研究人员和一家名为24M的附属公司开发的一种先进的锂离子电池制造方法有望显着降低最广泛使用类型的可充电电池的成本，同时还可以提高其性能并使其易于回收。

麻省理工学院京瓷陶瓷教授，24M的共同创始人（以前是电池公司A123的共同创始人）蒋尚明说：“我们已经彻底改变了这一过程。”他说，自从该技术被发明以来的二十年中，制造锂离子电池的现有工艺几乎没有改变，而且效率低下，其步骤和组件比实际需要的要多。

新工艺是基于Chiang和同事们五年前提出的概念，包括POSCO材料科学与工程教授W. Craig Carter。在这种所谓的“液流电池”中，电极是由液体携带并泵送通过电池各个隔室的微小颗粒的悬浮液。

新的电池设计是液流电池和常规固态电池的混合体：在这种形式中，虽然电极材料不流动，但它由类似的半固体，颗粒状胶体悬浮液组成。Chiang和Carter将此称为“半固态电池”。

横截面图显示了新的24M锂离子电池单元设计如何增加电极层的厚度并大大减少所需的层数，从而降低制造成本。

简化制造过程

Chiang表示：“这种方法极大地简化了制造过程，还制造出了具有柔性并且耐损坏的电池，”他在《电源》杂志上发表论文的高级作者说，该论文分析了在选择固态电池还是流式电池时需要进行的取舍，具体取决于它们的特殊应用和化学成分。

该分析表明，流动电池系统适用于能量密度低的电池化学物质（对于给定的重量只能存储有限量的能量的化学物质），但适用于高能量密度的设备（例如锂离子电池） ，流程系统的额外复杂性和组件会增加不必要的额外成本。

在发表了有关液流电池的早期研究之后，Chiang几乎立即说：“我们意识到，利用这种可流动电极技术的更好方法是重新发明[锂离子]制造工艺。”

代替将液体涂料施加到一卷背衬材料上，然后必须等待该材料干燥才能移至下一个制造步骤的标准方法，新工艺使电极材料保持液态，并且不需要干燥阶段。该系统使用更少，更厚的电极，将传统电池体系结构的不同层数以及结构中无功能材料的数量减少了80％。

以微小的悬浮颗粒而不是坚固的平板形式存在的电极，极大地减少了带电粒子在材料中移动时的路径长度-这种特性称为“曲折度”。较不曲折的路径使得可以使用较厚的电极，从而简化了生产并降低了成本。

与传统的固态锂离子电池不同，新的半固态电池具有足够的柔韧性，可以多次弯曲和折叠而不会影响其性能，如本测试中的恒定电压读数所示。

可弯曲且可折叠

Chiang说，除了简化生产流程以将电池成本降低一半外，新系统还可以生产出更灵活，更具弹性的电池。传统的锂离子电池由易碎的电极组成，这些电极在应力作用下会破裂，而新配方可生产出可弯曲，折叠甚至被子弹穿透的电池，而不会失败。他说，这将同时提高安全性和耐用性。

到目前为止，该公司已经在其原型装配线上制造了大约10,000个电池，其中大部分正在接受三个工业伙伴的测试，包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHICorp。该工艺已获得八项专利，并拥有75项专利。审查中的其他专利； 24M已从风险投资公司和美国能源部拨款中筹集了5,000万美元的融资。

该公司最初专注于电网规模的安装，用于帮助减轻电力负荷并为产生间歇性输出的可再生能源（例如风能和太阳能）提供备用电源。但Chiang表示，该技术还非常适合重量和体积受限的应用，例如电动汽车。

Chiang说，这种方法的另一个优点是，使用该方法的工厂可以通过简单地添加相同的单位来扩大规模。对于传统的锂离子生产，必须从一开始就大规模建造工厂，以降低单位成本，因此它们需要大得多的初始资本支出。Chiang估计，到2020年，24M电池的生产成本将低于每千瓦时100美元。

卡内基梅隆大学机械工程学助理教授Venkat Viswanathan并未参与这项工作，他说新论文中的分析“提出了一个非常重要的问题，即何时建造液流电池比静态模型更好。… 本文将作为做出设计选择和不做决定的关键工具。”

Viswanathan补充说，24M的新电池设计“可能会像微型钢厂对综合钢厂的破坏一样，对[锂离子]电池制造造成同样的破坏。”

除Chiang之外，Power Sources论文是由研究生Brandon Hopkins，机械工程教授Alexander Slocum和伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的Kyle Smith共同撰写的。这项工作得到了位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的美国能源部储能研究中心的支持。

图片：24M