美國電動汽車技術研發進展–Amprius納米級硅負極先進電池項目進展

引言：上回的連載，介紹了LG Chem在美國電動汽車技術研發項目中的進展，今天來跟大家介紹一下美國電池初創企業Amprius在目前已經獲得的進展：

• 為其核心技術硅納米線負極材料匹配了更高容量的NCM正極材料，開發10Ah的電池；
• 該電池比能量達到340Wh/kg，能量密度達到830Wh/L，已經接近USABC的性能指標；
• 匹配NCM正極材料的樣本循環壽命超過500次。

下面，就Amprius的進展報告為大家進行詳解。

Amprius介紹

Amprius是一家2008年成立於矽谷的致力於開發先進鋰電池的公司，該公司技術起源於斯坦福大學。該公司的核心技術點在使用硅納米線製造電池負極。

Amprius的聯合創始人Pro.Yi Cui 2008年在Nature上發表了硅納米線負極材料的成果論文

該公司的投資者有中國的贏富泰克資本，賽富基金，無錫產業發展集團，信能資本，美國的Trident Capital, VantagePoint Capital Partners，KPCB 基金，斯坦福大學，谷歌的董事長施密特博士等。

Amprius的總公司設在美國矽谷。公司設有四家分公司：安普瑞斯科技公司（美國）；安普瑞斯（無錫）有限公司，安普瑞斯（南京）有限公司，安普瑞斯動力能源公司（籌建中）。

Amprius 車用先進高性能電池項目

1. 項目進展

Amprius的電池項目開始於2015年1月，項目預計於2018年1月結束。目前項目進度完成率達到40%。整個項目的目標和LG Chem的相似，具體可以參照我們的前篇，有詳細介紹。

硅負極材料較碳負極材料有很多優勢，但是因為硅膨脹收縮會導致循環壽命較短，而Amprius的核心技術在於硅納米線負極材料可以在不損害電池的機械穩定性的情況下完成膨脹和收縮。

Amprius根據自己的技術特點，為滿足USABC目標設立了如下路徑：

1. 用先進的（高容量和高能量密度）正極材料和最先進的電池材料來配置硅納米線(sillicon nanowire/SiNW)負極材料
2. 在2 Ah規格條件下的電芯中開發負極和其他電池組件，以縮小性能方面的差距，達到USABC的目標
3. 在10 Ah規格的電芯中，去除規格放大的風險
4. 開發符合USABC目標電池規格為VIFB- / 99/300的40 Ah電池

Amprius設定了四個時間節點，目前已經完成前兩個，在2017年一年內需要完成剩餘的兩個。

2. 2016年的項目進展詳解

截至2016年，Amprius取得了如下項目進展：

1. 交付給INL 和SNL30個Silicon Nanowire-NMC電池進行性能和安全性評估；
2. 完成了差距圖分析 - 結果超出許多性能標準；
3. DST循環壽命 - 用NMC正極超過500次循環；用LCO正極超過300次循環；
4. 用更高容量的NCM正極來匹配硅納米線負極；
5. 開發比能量為340Wh / kg和830Wh / L的SiNW / NCM 10Ah電池。

在能量密度和比能量上，Amprius選取的幾個樣本都已經接近或超過了USABC的目標水平。

在功率密度和比功率水平上已經大幅超過了USABC的目標水準。

可以看出來塗覆、壓實工藝對電芯的循環壽命影響較大。

同時，電解質的優化情況對循環壽命影響也較大。

目前階段，Amprius的NCM/SiNW電池在功率水平上已經達標，在能量密度上接近USABC的目標水平，但是在循環壽命上差距較遠。

目前10Ah的電池技術水平

該項目的挑戰和難點在於：

1. 採購高能量密度正極和電池材料

NMC材料的製備有許多不同種配方和材料結構；選擇具有高容量和高循環壽命的材料需要大量高質量的試驗和塗覆條件 - 類似於現已商業化的電池。

1. 循環壽命的改善

Amprius將持續通過優化電解質配方、負極結構、正極材料和塗覆以及隔膜類型來延長循環壽命。

1. 高溫穩定性和日曆壽命

持續優化電解質配方，使得富鎳NCM正極高溫下的放氣反應最小。 其正極塗覆也是與正極廠商合作開發的。

1. 能量密度和比能量

儘管特定的硅納米線 - 正極組件在壽命初期超過了USABC的目標，但為了性能還需要維持更久，以達到壽命終點的目標。

高能量密度和特比能量電芯通常具有較低的循環壽命。 在一個方向上的優化和改進必須要驗證其在其它特性上的影響。

3. 2017年的全年計劃

2017年是該項目的最後一年，主要終點在於提升循環壽命和開發40Ah規格的電芯：

1. 持續優化提升電芯能量密度，循環壽命和日曆壽命

- 評估新的、更高能量的正極材料（最低185 mAh / g）

- 使用實驗方法學來減少用於篩選和優化新電解質製劑的實驗次數

- 在高溫（50°C）下通過循環壽命和儲存性能快速篩選電解液

- 驗證2Ah和10Ah的最佳電解質配方

1. 完成對應差距表規格的10Ah電池性能測試

- 與愛達荷國家實驗室同步評估所有電氣特性

- 與桑迪亞國家實驗室合作進行安全評估

1. 開發40Ah電芯規格

- 迭代電芯組件並評估性能

- 完成最終交付的電芯