麻省理工研究的“半固态锂液流电池”，究竟什么样？

日前，有新闻称美国麻省理工学院的研究人员与一家名为24M的衍生公司合作，日前开发出一种制造锂离子电池的先进工艺：半固态锂液流电池。不仅有望显著降低生产成本，还能提高电池性能，使其更易于回收。

这里有必要介绍下24M公司的创始人，他是麻省理工学院教授、A123电池公司前创始人之一蒋业明。其中，通用汽车的插电混合动力汽车沃蓝达、上海汽车的荣威550插电版都是用A123公司的电池。蒋业明这个名字在电池界很知名，他除了搞磷酸铁锂电池（比亚迪电动车用的就是磷酸铁锂电池）以外，还与同事于5年前提出了“半固态液流电池”的概念，这些年他一直在做商用的努力。

蒋业明是台湾人，美国工程院院士，台湾中央研究院院士,麻省理工学院材料系教授，研究过用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池。在全球材料科学家中排名66位。算是电池行业的世界顶级专家。

先说说“液流电池”是个什么东西

我们目前用的绝大部分电池都来自于一个古老的模型——公元1800年的原电池。这个东西的原理就是有正极，有负极，有电解液，然后电子流动就有了电。

家里的土豆、柠檬、苹果，插上一个铜片，一个锌片就可以带动电子钟，就是这个原理。

最近300年来，人们不断寻找正极和负极材料，提升能量密度，无论是干电池、镍镉电池还是流行的锂电池，都是材料的升级。原理和家里DIY的土豆电池，苹果电池是完全一样的。

无论材料怎么升级，传统的电池对活性物质的利用率很低，能够产生电能的物质被包裹在必须的非活性物质之中。在我们常见的锂电池里面，锂材料只含电池重量的2%左右。这些非活性物质增加了电池成本，还降低了活性物质的利用率。

因为传统电池的这些弱点，人们发明了液流电池。液流电池可以视为一个独立的大电池，正负极电解液分别存放，集中反应产生电能。这样无需昂贵的附加材料，可以大大提升效率。

（液流电池的工作原理）

其实，液流电池并非那么完美

既然液流电池这么好，效率这么高，为什么还没有被广泛采用呢？

这是因为液流电池不仅仅有优点，它的缺点也很多。

目前液流电池的浓度有限制，虽然理论上效率比传统电池要高，但是溶液浓度低、能量密度和功率密度并没有优势，价格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上装溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加装置，液流电池整个系统综合算下来效能就更差。

所以，蒋业明开发出来了半固态锂液流电池。

这种液流电池不用溶液，用细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆。因为这种泥浆的能量密度可以做的比溶液高，于是液流电池的大容量优势就有了，在蒋业明在麻省理工写论文的时候，他的半固态液流电池的能量已经可以达到500WH/L了（参照：手机，平板的和这个差不多，而动力电池远远低于这个）。

这种电池的原理其实很简单。电极是细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆，电池使用两束泥浆流，一束带正电，一束带负电。两束泥浆都通过铝集电器和铜集电器，两个集电器之间有一个能透水的膜。当两束泥浆通过膜时，会交换锂离子，导致电流在外部流动。为了重新给电池充电，只需要施加电压让离子后退穿过膜即可。

（半固态锂液流电池）

这样，它的正极负极的材料利用率比传统电池高的多，只要一层膜就够了，用的各种材料也比传统电池便宜的多。

而且，半固态锂液流电池可以做成柔性的（你可以想象成塑胶袋包着两团泥浆），电池不仅可弯曲、折叠，即使被子弹穿过也不会受损，安全性耐用性都有很大的优势。

电池革命真的来了？

理论上，蒋业明的这种电池能量密度更高，价格更低（据他估计，到2020年，每千瓦时容量的成本将降至100美元以下，而目前中国产的最便宜的动力锂电池也得300美元以上），更安全，具有美好的前景。

但是，这种东西的原理和结构与现在的电池完全不同，生产线设计，品质控制，测试标准，量产工艺这些东西都得从头摸索。现在的电池生产线不能用。

于是，这些年蒋业明的24M公司就一直在干从实验室到量产的事情，要解决新结构电池量产中遇到的各种问题。

一开始，蒋和他的几个同事用纯手动模式试枣，然后逐渐形成了一条手工的生产线。熟能生巧，到后来，他们手动生产一块手机电池大小的单元只需 6 分钟。

经过摸索，团队对生产工艺反复改进，最终打造出了一个工业化的生产平台，让电池的能量密度和生产速度都发生了质的变化。投资人对 24M 取得的进展非常满意，给了24M 高达 5450 万美元的融资。

而24M公司已经在原型生产线上制造了大约10000块这样的电池，其中大部分正在接受3个工业合作伙伴的测试，包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI株式会社。新工艺已获得8项专利，另有75项专利正在接受评审。

下一步，蒋业明准备启动第三轮融资，新的资金将用于研发一种机器，能在 2-10 秒内产出一个电芯。

这说明，半固态液流电池已经到了大规模测试阶段了，这个阶段过了就是大规模量产了，这是非常令人激动的。在电池历史上，这个成就是可以与当年索尼发明锂离子电池相提并论的。

不过，液流电池的成本优势，安全优势，容量优势，在我们日常使用的手机、平板上并不突出。

因为这些设备用的电池太小，成本太低。几千元的手机，电池成本是10元还是20元影响不大，而新的电池还需要做各种测试，重新设计电池仓，得不偿失。

而这种容量大、便宜、安全性好的电池却是新能源汽车与家庭储能的绝配。

特斯拉汽车如果用这种电池，价格立即就能变得平易近人，而且续航里程也会更长。用到特斯拉的家庭储能设备上，价格也会立即下降。而且这种电池更安全，不怕普通的碰撞，这对电动车的安全性很有好处。

电池革命这次也许真的来了，也许只要3-5年，我们的世界就会完全不同。