创新锂离子电池技术

莱顿能源公司研发和工程副总裁Marc Juzkow向AZoM介绍了锂离子电池技术的进展。

您能简单介绍一下莱顿能源公司所从事的行业并概述一下主要的驱动因素吗?

莱顿能源(Leyden Energy)是锂离子(Li-ion)电池的革新者，为消费者、汽车和工业应用提供广泛的动力。全球对锂离子电池的需求是无法满足的;考虑到几乎每台手机(总共60亿部手机!)都有一个锂电池，每年生产超过20亿个锂电池也就不足为奇了。消费者移动性的爆炸式增长(如智能手机、平板电脑、超级本)是这个市场的主要驱动力。

电动交通工具的容量远不及移动电池，但从电动自行车到特斯拉跑车(Tesla Roadster)等全电动汽车(ev)，人们对锂离子电池有着浓厚的兴趣。在中国实现增长的一个好机会是起止型汽车(ssv)。这些汽车的内燃机在行驶过程中启动和停止，以节省汽油和减少温室气体排放。Lux Research高级分析师Kevin See表示:“我们预计，微型混合动力市场将从全球燃油经济性提高和碳排放降低的趋势中受益最大，2017年将达到3900万辆，为储能技术创造69亿美元的机遇。”

我们新的Li-imide™化学平台为移动和运输应用提供了重要的优势。

您能简单地解释一下锂离子电池的工作原理以及它们与传统电池的区别吗?

首先，让我来看看电池和电池的区别。电池是电池的基本单元，电池可以包括一个或多个电池单元。例如，非常薄的智能手机很可能使用单个电池:软锂离子袋电池，这是我在这里谈到电池时将作为一个例子。

与其他电池化学成分的根本区别在于，锂离子电池的电压(目前3.6 V标称)高于镍镉电池(NiCd)或镍氢电池(NiMH)的电压(1.2V)，这使得更高的能量密度成为可能。这是电池在给定尺寸(体积)或重量(重量)下所提供的能量量，对于消费者的移动性和运输应用都很重要。按重量计算，锂离子电池的能量密度是镍基活性材料的两倍，是目前汽车使用的铅酸电池的四倍。亚博网站下载事实上，锂离子电池可以提供如此多的能量，以至于在短路或其他情况下，保护电路是确保安全的必要组件。

与几乎所有类型的电池一样，锂离子电池由一组阳极和阴极(活性材料)组成，它们由隔板隔开，并通过电流收集器与电池终端电连接。亚博网站下载在锂离子袋电池中，包裹电池的聚合物袋的整个内部都渗透着液态电解质，这不仅是锂离子的来源，也是这些离子在正极和阴极之间交换的介质。这是充放电循环的基础。(比活性物质与电解质的结合称为细胞的“化学”。)亚博网站下载在放电过程中，阳极放弃电子和锂离子，而阴极吸收电子和锂离子，这一过程称为插层;其结果是电池两端之间的电流流动方向与电池内部锂离子的运动方向相同。

一种活性物质放弃或占据电子的倾向是用其伏特的电动势(EMF)来测量的;阳极和阴极之间的电动势差是电池上没有负载时两端的电压。当电池实际为某物供电时，这个值会下降，这取决于所需的电流。从外部电源向相反方向施加更高的电压，就会反向驱动反应，使电池充电:阳极吸收电子(和锂离子)，阴极释放电子(和锂离子)。电池可以串联起来增加电压，也可以并联起来增加电流容量。

使用锂离子电池的好处是什么?

与铅酸、NiMH或NiCd相比，它们更大的能量密度允许更光滑、更小的移动设备设计，并有助于保持汽车的重量。它们也更环保，尤其是在制造业;特别是镉，环境成本非常高。铅对环境的影响在某种程度上被广泛的回收工业所缓解。

然而，目前的锂离子化学有一个共同的弱点:几乎所有锂离子电池使用的电解质的不稳定性:六氟磷酸锂溶液(LiPF)₆)在有机碳酸盐基溶剂体系中。这是莱顿能源公司锂酰亚胺化学平台的机会。

LiPF的局限性是什么₆作为电解液吗?

在生产过程中不可避免地会留下H₂O在锂离子电池。不幸的是,LiPF₆在水的存在下不稳定，并与水反应生成氢氟酸(HF)，这是已知的最具腐蚀性的化学物质之一。HF会从阴极中滤出金属离子(如锰、铁、钴)，这些金属会与阳极发生反应并毒害阳极，从而降低其插入锂离子的能力，降低电池的能量。它还会腐蚀其他部件，这些反应会产生一种气体，导致电池在其生命周期内慢慢膨胀，或者，在最坏的情况下，迅速膨胀到足以摧毁设备。

当然，所有这些都像任何化学反应一样，随着温度的升高而加速。无论是消费者移动场合(例如，把智能手机放在停放在阳光下的汽车里，口袋里的手机，甚至只是插着电源运行)，还是汽车应用，都倾向于比LiPF更热₆基础细胞可以耐受。其结果是更低的能耗和更短的电池寿命(例如，在平板电脑上运行时间更短)。对于平均22个月营业额的智能手机来说，这不是什么大问题。对于摊销期较长的应用，比如平板电脑和ssv，它的规模是巨大的。

莱顿能源的Li-imide专利技术如何克服这些限制?

莱顿能源的Li-imide电解质不会与残留的水发生反应，也不会产生氢氟酸——这使得它更加稳定，尤其是在更高的温度下。

莱顿能源电池的独特之处是什么？

莱顿能源的Li-imide化学平台将这种先进的电解质盐与涂覆铝阴极收集器以防止腐蚀的工艺相结合。其结果是体积能量密度更大(每次充电的运行时间更高)，更长的循环周期和日历寿命，并减少了膨胀——这都是由于更大的热回弹性，同时使用与标准锂离子电池相同的生产线。因此，这种技术的成本与传统的锂离子技术相当，尽管它的性能和电池寿命更好。

也许更重要的是，Li-imide电解质盐与各种公司和研究小组考虑的各种活性材料兼容，以获得更高的能量密度和其他可取的品质。亚博网站下载这使得Li-imide及其热稳定性适用于许多不同的潜在锂离子电池化学物质，使其处于电池研究的前沿。

莱顿公司最近被AlwaysOn公司选为“绿色硅谷全球200强”——你能告诉我们更多关于这一点以及这对公司意味着什么吗?

AlwaysOn的编辑团队与全球顶级风险投资家和行业领袖合作，根据创新、市场潜力、商业化、利益相关者价值和媒体关注度，评选出前200家私营清洁技术公司。我们很高兴能入围，并将此视为对我们对锂离子技术愿景的进一步验证。

莱顿能源公司的电池有哪些主要用途?

移动消费电子产品，以及汽车启停应用。

莱顿能源公司在移动消费电子行业投入了大量精力，尤其是平板电脑、超级本、智能手机和移动电池驱动的配件(例如，移动果汁包、移动路由器、移动存储设备——基本上任何移动设备都将受益于“脱销”)。这就是摩尔定律在电池和半导体(其进化速度快了一千倍)之间所造成的不断扩大的能量差距，让我们的锂酰亚胺电池化学技术发挥了最大的作用。

问题是，越来越强大的处理器及其应用可能会引发消费者的行为，并使传统的锂离子化学物质超出设计规格，尤其是因为产生的热量、电流峰值和快速充电需求。最著名的结果是，移动计算一直在寻找下一个电源插座:智能手机寿命短，平板电脑寿命短。“根据Strategy Analytics的SpecTRAX数据库的分析，平板电脑电池在充满电的情况下平均只能运行7.5小时(浏览网页或播放视频)，在过去12个月里没有明显的增长。”该分析公司战略技术实践部门手机组件技术(HCT)项目主管斯图尔特·罗宾逊说。

还有许多其他缺点。Li-imide为手机设计师提供了更多的灵活性和选择，以平衡每次充电的运行时间、可承受性、薄度、电池寿命、充电速率和应用支持，在适当的价格点为消费者提供价值。

莱顿能源关注的另一个行业是汽车行业:尤其是启停型汽车，这类汽车以相对较低的额外成本提供了5%至15%的油耗优势。普通内燃机需要电池来实现启动、照明和点火(SLI)功能。电池保持100%的电量，但在更换之前，只能启动汽车几百次或数千次。SSV电池可能需要在一次行程中启动汽车100次，特别是在交通繁忙的情况下，并且必须支持频繁的浅放电和快速充电(在使用再生制动的SSV中，有时也被称为微型混合动力汽车)。

对于铅酸电池，甚至先进的吸收玻璃垫(AGM)设计来说，这并不是一个良好的操作模式，但对于Li-imide来说，这是理想的，特别是考虑到它的耐热性，冷曲柄能力和更高的能量密度，这意味着更轻的车辆和更好的里程delta。锂酰亚胺电解质化学系统与多种活性材料的兼容性也为利用创新、低成本材料降低高成本的锂离子电池提供了有前景的研究途径。亚博网站下载

莱顿能源目前向哪里供应能源?近期是否有扩大业务的计划?

我们已经宣布了与NVIDIA和Dr. Battery的合作关系，并与Powermat等公司建立了技术合作关系，但不幸的是，由于我们与合作伙伴达成了非常具体的保密协议，目前我们无法进一步详细说明。

你如何看待锂离子电池的需求在未来十年的变化?

锂离子电池和锂酰亚胺电池的需求只会随着以下几个趋势而增长:最显著的是流动性的增加，以及为应对油价上涨和温室气体减排举措而快速采用启停汽车技术。不受约束的计算实际上是渐近的，最终所有可以不受约束的都将是。所有这些移动设备都将依赖云服务，云服务可以提供数据，但不幸的是，它们无法提供那些经常在后台使用的服务所消耗的能量。这将是锂离子电池的工作。

所有类型的电动汽车，从自行车到轻便摩托车到公共汽车、卡车、ssv、电动和混合动力汽车，也是一个不断增长的行业，对锂离子电池的需求不断上升。第三个推动变革的因素很可能是锂离子电池在智能电网、太阳能和风能应用中的使用，这一趋势正在缓慢加速，尽管在这里，能量密度比热稳定性和长循环寿命(可提供多少充放电循环)和日历寿命(电池的寿命与循环次数无关)更重要。

关于马克Juzkow

Marc是著名的电池科学家、开发人员和技术行业资深人士，在锂离子电池、超级电容器研发、应用工程、销售、市场营销和执行管理方面拥有独特的技能，是行业领导者。马克设计和制造了各种世界级的产品。

在锂电池和超级电容器领域，Marc曾为EaglePicher、PolyStor、Cooper Bussmann（PowerStor）、Qynergy和OMG（钴供应商）工作，并成立了三家公司：Volt Source（咨询）、UNCAP（超级电容器）和移动电源解决方案（独立电池测试）。

马克在加拿大温哥华的Moli Energy开始了他的电池职业生涯，从事可充电锂电池研究。在20世纪90年代早期，他管理北美第一个锂离子电池开发期间的产品开发和评估团队，后来组建了销售和营销小组，以实现莫利锂离子技术的商业化。马克有超过35个出版物和正式演讲，包括keynote，全体会议和许多国际邀请的演讲。他持有加拿大BC省温哥华西蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)的emba和化学硕士学位。