美國(guó)Amprius公司宣布，第一批超高能量密度的鋰電池單元已經(jīng)出貨，在比能量（單位電極放出的能量）和能量密度上均實(shí)現(xiàn)重大突破。這款鋰電池的電池密度達(dá)到450Wh/kg（1150 Wh/l），是目前可用電池中能量密度最高的鋰電池。

 

 

這款鋰電池將被應(yīng)用于新一代的高空偽衛(wèi)星（HAPS），之所以稱(chēng)為高空偽衛(wèi)星，是因?yàn)樗鼈冿w行在地球上方數(shù)十公里處，但并未完全繞軌道運(yùn)行。“這是目前世界上能量密度最高的商業(yè)化電池單元。”Amprius公司表示，“在先進(jìn)的航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用這款顛覆性的電池，肯定了Amprius是現(xiàn)有最高能量密度電池的領(lǐng)先供應(yīng)商。”由于Amprius研發(fā)的超高密度電池成本較為高昂，目前主要應(yīng)用于高空無(wú)人機(jī)等航空航天領(lǐng)域，尚未進(jìn)入新能源電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域。

 

對(duì)此，Amprius在其官網(wǎng)上表示：“我們正在積極擴(kuò)大硅陽(yáng)極制造的規(guī)模，以使更多行業(yè)能夠利用我們的產(chǎn)品。目前，高性能鋰離子電池正用于高端關(guān)鍵領(lǐng)域，隨著制造能力的增長(zhǎng)，很快將擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。”

 

Amprius沒(méi)有透露現(xiàn)有的具體產(chǎn)能。該公司位于加利福尼亞州弗里蒙特的電池工廠生產(chǎn)規(guī)模有限，計(jì)劃在本季度進(jìn)行第一個(gè)大批量生產(chǎn)設(shè)施的選址，預(yù)計(jì)到2024年將大幅增加產(chǎn)能。

 

根據(jù)Enpower數(shù)據(jù)，目前特斯拉Model 3使用的松下2170電池屬于全球領(lǐng)先水平，能量密度達(dá)到260 Wh/kg（730 Wh/l）。同等重量下，Amprius鋰電池的能量密度高出73%，體積卻減少了37%。

 

特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克曾在2020年8月預(yù)測(cè)：“只需3-4年就能實(shí)現(xiàn)400Wh/kg能量密度的電池單元，也就是在2023-2024年，電池重量將大大減輕。”在兩年后的2022年，Amprius已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了450 Wh/kg能量密度的電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了馬斯克的預(yù)期。

 

值得注意的是，2020年，Amprius將總部遷到了距離特斯拉弗里蒙特電池工廠只有幾百英尺的地方。盡管馬斯克曾在推特上否認(rèn)特斯拉與Amprius的關(guān)系，但不排除未來(lái)二者進(jìn)行深入合作的可能性。

 

在特斯拉2020年9月發(fā)布的電池日活動(dòng)的注冊(cè)頁(yè)面，背景圖片就是新電池材料硅納米線的結(jié)構(gòu)圖，這也正是Amprius電池的核心技術(shù)。盡管后來(lái)這一技術(shù)并未正式亮相，但有不少媒體猜測(cè)，特斯拉與Amprius存在幕后合作的關(guān)系。Amprius創(chuàng)立于2008年，創(chuàng)始人崔屹是斯坦福大學(xué)華人教授，在哈佛大學(xué)和加州伯克利大學(xué)讀博和從事博士后研究期間，從事納米材料的合成工作，并開(kāi)始將納米技術(shù)與電池結(jié)合起來(lái)。該公司在官網(wǎng)上的定位是“能量密度和循環(huán)壽命的游戲改變者”，建立初期的目標(biāo)就是“生產(chǎn)出能量密度是當(dāng)今鋰離子電池兩倍的電池”。

 

2020年發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文指出：“與傳統(tǒng)使用的石墨陽(yáng)極（372 mAh/g）相比，硅（Si）被認(rèn)為是最有前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一，因?yàn)樗哂休^高的重量理論鋰存儲(chǔ)容量（3579 mAh g），同時(shí)還具有相對(duì)較低的放電電壓。”

 

崔屹認(rèn)為，在常規(guī)電池中陽(yáng)極由石墨制成，但它存儲(chǔ)的能量有限制。硅的存儲(chǔ)容量約為石墨的10倍，但有一個(gè)明顯缺點(diǎn)：充電時(shí)，硅會(huì)急劇膨脹，導(dǎo)致硅破裂并使電池失效。

 

資料顯示，硅納米線技術(shù)的研發(fā)方向早在Amprius公司成立之初便已確定，利用納米技術(shù)，能夠在微小的硅納米線中存儲(chǔ)鋰，這些納米線的厚度約為一張紙的千分之一，硅納米線吸收鋰后仍會(huì)膨脹，但納米技術(shù)可防止硅破裂，可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)上最高的能量/功率比。

 

據(jù)華寶證券研報(bào)，硅納米線指的是寬度在10納米左右、長(zhǎng)度無(wú)限制的材料，是一種新型的一維半導(dǎo)體納米材料。中信建投也分析稱(chēng)，將硅納米線應(yīng)用于鋰電負(fù)極，體現(xiàn)出了若干理論優(yōu)勢(shì)：具備離子、電子通路；適應(yīng)嵌鋰前后的體積變化；利于電解液滲透和儲(chǔ)存；具備較高活性物質(zhì)利用率。

 

 

在過(guò)去的幾年中，Amprius研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)納米線技術(shù)制成硅陽(yáng)極，并用空心硅納米顆粒逐漸提高了硅陽(yáng)極的耐久性。據(jù)Amprius公司介紹，這款新電池之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此高的能量密度，主要是因?yàn)樵摴緦?zhuān)有的硅納米線（Si-Nanowire）技術(shù)，直接用100%硅納米線陽(yáng)極取代了傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極。由于硅是能量密度的最佳材料，Amprius的100％硅納米線電池將具有更高的能量密度和功率，并且比一般鋰電池充電速度更快、循環(huán)壽命更長(zhǎng)，在美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、航空航天公司等的實(shí)際使用中已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

 

正因如此，這項(xiàng)技術(shù)早在2020年就已吸引了超過(guò)1億美元的融資，投資人包含美國(guó)最大風(fēng)投公司KPCB、Trident投資公司、VantagePoint投資公司、Google前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空中客車(chē)公司。

 

 

2021年11月，Amprius宣布量產(chǎn)405Wh/kg能量密度的電池。短短幾個(gè)月的時(shí)間，其電池能量密度就提升了超過(guò)10%。2021年12月，該公司宣布其370Wh/kg版本的電池可以達(dá)到六分鐘內(nèi)從0%充電到80%。但硅納米線技術(shù)也并非十全十美。中信建投指出，Amprius實(shí)用化的負(fù)極產(chǎn)品是“核-殼”結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極，估計(jì)該硅納米線距離較低成本量產(chǎn)并制得高性能全電池還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。未來(lái)隨著正負(fù)極、電解液、隔膜和電池單體共同發(fā)力，才可能實(shí)現(xiàn)它的性能目標(biāo)。再考慮到成本問(wèn)題，實(shí)際局面更復(fù)雜。

 

華寶證券也指出，在石墨負(fù)極相對(duì)成熟度較高的條件下，僅高鎳三元正極的規(guī)模化應(yīng)用歷時(shí)就不止3-4年，而獲得量產(chǎn)400Wh/kg能量密度電池所難度要遠(yuǎn)高于研發(fā)、生產(chǎn)高鎳三元正極。Amprius的硅納米線距離較低成本量產(chǎn)并制得高性能全電池預(yù)計(jì)還需要時(shí)間。