5月 23rd, 2019

成立不到六个月,但却拥有十多年技术专长和知识产权储备的公司并不多见。笔者(保罗•克朗普顿 Paul Crompton)去年12月参观了英诺利位于德国的研发中心,此次参观给他留下了极其深刻的印象。

英诺利(Innolith AG)于2018年10月成立,公司名字源自“无机”(Inorganic-In)、“创新”(Innovative-no)和“锂”(Lithium-lith)三个单词中字母的组合;追溯至2004年,英诺利至今拥有全球已授权专利156项,另39项专利等待批准中。这一名称听起来可能很陌生,但在能源存储行业这种利用品牌名称定义一家公司的意识形态非常普遍,比如某家研发LED材料的产品制造商。英诺利的首席工程师兼常务董事马库斯•博克(Markus Borck)表示:“我们试图总结我们正在开发的产品的业务。”

英诺利是一家瑞士的电池技术公司,致力于通过无机、硫基、非易燃电解液研发锂离子电池并将其商业化。其总部位于瑞士巴塞尔,并在德国布鲁赫萨尔(Bruchsal)设有研发中心,该研发中心距离法兰克福以南约一小时车程,靠近法国边境。其公司选址是基于历史原因——电网级储能公司Alevo,该公司于2017年8月申请破产保护【依照(美)联邦破产法第11章】。该公司价值两亿美元的美国电池制造硬件之后以500万美元的价格卖给了Imperium3。与此同时,英诺利收购了其母公司Alevo Group在瑞士拥有的包括无机电解液的知识产权,以及位于德国布鲁赫萨尔(Bruchsal)的研发基地。

英诺利还拥有Alevo运营的唯一一家电池厂——Snook——位于美国并且在美国PJM能源市场运营了一年多的时间。可以说,英诺利继承了Alevo公司的基因。现任的董事长艾伦•格林希尔兹(Alan Greenshields)曾是Alevo公司的首席技术官,首席执行官谢尔盖•布钦(Sergey Buchin)曾是Alevo公司的首席运营官。前员工博克(Borck)、研究主任克里斯蒂安•佐拉(Christian Pszolla)、首席科学家劳伦特•辛克(Laurent Zinck)及其他60多名员工仍然在职。

不过英诺利已经从Alevo的倒闭当中吸取了教训。Alevo失利的一大部分原因是由于还没等到常规项目的资源到位就在Charlotte投资了一个巨大的制造基地。布钦表示,英诺利的业务定位是制造能够产生价值的电池产品。他表示:“量产电池需要大量资金,我认为没有必要在电池具有经济可行性之前就进行部署。电池应该创造价值,偿还资本支出,并回报投资者。到目前为止,能够实现这一目标的收入模式就是投入PJM电网调频市场。”

博克(Borck)表示,英诺利的研发设施涵盖了从基础技术到核心技术的方方面面,以及他们的生产、开发和测试样品或小型电池的工厂车间。博克介绍:“我们能够对电池的设计和开发进行电化学研究,并将它们集成到模块中。”这也是英诺利潜在业务增长的关键一环。博克与辛克在2009年发明了一种基于无机电解液的全新锂电池技术。在取得这项技术突破之前,研究人员一直无法开发出一种可以保持较长的循环寿命的可充电无机电池。

二十世纪七十和八十年代,德国汉诺威大学(University of Hannover)和美国金霸王电池(Duracell)首次对这种电解液进行了研究。然而,尽管索尼开创了可燃有机电解液的先河,但直至今日,从电子烟到电动汽车,所有产品都面临着热失控的担忧,而德国威滕大学(University of Witten)和弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)则在接下来的几十年里继续深入研究这种无机电解液。

Alevo首次以商业模式应用这一技术是在其位于美国马里兰州的Gridbank储能系统中,并于2013年获得了该项技术的专利。该系统目前仍在运行,为PJM电网系统提供频率调节服务。对于频率调节服务而言,聚合器需要10000次循环,相当于每天使用10~12次左右。博克介绍道,传统的锂离子电池可以循环使用大约2000次,所以使用寿命有限。“相比之下,一块英诺利的电池则可以连续使用10~15年的时间。如果我们生产苹果手机的电池,那它们可以使用100年。”在现实环境中,PJM信号对应于2C充放电系统为3500~4500个完整周期;传统的锂离子电池在运行一年后需要更换(除非采用浅循环来延长使用寿命)。

“我们的电池在经过5万次循环之后,内阻几乎没有变化;剩余能量有50%,剩余功率保持不变,”布钦介绍说,“1MW的GridBank电池系统可以在它的寿命周期内提供60GWh的功率,这将是迄今为止最便宜的系统;超过5万次的循环寿命,使其成本只有传统锂离子电池的三分之一。”该技术正在马里兰州的2MW/1MWh系统中证明其价值,并已获得包括巴登-符腾堡州太阳能与氢能研究中心(ZSW)在内的多家独立实验室的第三方验证。但是,是什么让它成为固定式能源存储产品市场潜在的“黑马”呢?

传统的锂离子电池使用的是有机溶剂。这种电池的负极上含有固体电解质中间相绝缘层(由有机电解质降解过程中的反应产物生成)。虽然这对电池的功能发挥很重要,但却无法防止它们在正极上生成或者使负极上的固体电解质中间相增厚。电池内阻的增加会使系统无法满足其既定的性能需求,从而将使得电池老化。尽管从公用电网项目到水处理设施供电项目等二次寿命能源存储系统发展中,电池市场正在不断增长。但从消费领域来说,这意味着每两到三年就需要更换一次电池;在电动汽车上,这相当于10年左右的使用寿命。

与笔记本电脑中使用的18650电池不同,大功率应用要求电池采用多层嵌合来构建,这既增加了制造工艺的复杂性,也增加了潜在故障模式的增长,从而导致每一百万台笔记本电脑中就有一台会出现故障。尽管主流媒体充斥着关于消费型电池产品起火燃烧的报道,但相对较小的容量并不会构成很大威胁。当你使用兆瓦(MW)以上级别的电池时,危险才会更加明显:1兆瓦时(MWh)大约相当于一吨TNT炸药的含能量。因此,开发采用传统有机电解质的大型电池,必须考虑到故障的概率会更高,故障的后果也会更严重。

许多公司试图针对汽车和电网储能应用开发体积更大的方形蓄电池,以对抗这一威胁,但迄今为止还未能将产品商业化。例如,特斯拉(Tesla)在其85千瓦时(KWh)电池组中仍旧使用了7000多块18650电池。相比之下,采用无机材料的英诺利电池不易燃烧,并具有高导电性和高热稳定性。导电盐由四氯铝酸锂(LiAlCl4)制成,无机溶剂为二氧化硫(SO2)。两者相结合形成溶剂(低粘度液体)。但是,这种电解质的密度(1.6-1.8 g/cm³)比有机电解质(1.3g/cm³)高,粘度(4-16cP)也比其竞争对手(0.625cP)高。这使得英诺利的无机电解液在室温下的电导率达到60~100毫西门子/cm,而传统的有机电解质的电导率在10毫西门子/cm左右。

英诺利表示,无机电解液的高导电性使电池在充放电时具有更高的内在功率,同时其相对较高的导热性也有助于设计出具有最佳热性能的电池和电池组。这种电池的工作温度范围为20°~25°C,但温度窗口为10°C~40°C。尽管如此,博克和他的团队已经测试了该电池在高达350℃的温度下无闪点,这比传统锂离子电解质60℃的闪点有了巨大的飞跃。

英诺利的电池使用泡沫镍集电器,而非铝箔和铜箔集电器。这种集电器价格更高,但该材料具有高度稳定性。而且由于电池具有更长的循环寿命和深放电电阻,因此其成本反而更具竞争力。使用镍电极也可以使电池在完全放电的状态下储存,因为这样就不存在损坏电极的风险。电池被密封在厚厚的不锈钢外壳中,这使得该公司的第一代电池比那些使用有机电解质的电池更重。

英诺利预计电池可以使用很长时间,所以外壳也采用不锈钢材质。博克介绍说,“不使电池劣化的一种方法是采用密封式外壳,不让水和湿气进入电池,这就是为什么我们采用激光焊接的原因。”当把这种电池拿在手里时,人们的第一反应是,电池的重量是否会妨碍它们在消费性或移动应用中使用,但是这在该公司短期内将要瞄准的固定式电池市场中,几乎不用担心。这种外壳加上较长的循环寿命,意味着马里兰州储能系统中的电池预计使用寿命将超过15年。

由于电池模块相对较重,目前的系统容量范围是70Wh/ kg。不过博克表示,他们正在进一步研发,研究人员正在研究一种能量密度更高的电池。这种电池的容量目前为86Wh,他们的目标是将其扩大到90Wh~100Wh。博克介绍说,“最终目标会尽可能的高,我们希望我们可以开发具有极大功率的电池。”

英诺利德国研发中心里最主要的两个部门是创新部与测试部。创新部涉及新型化学成分的开发。虽然无机电解液是在瑞士境内生产的,但开发这项技术的工作却是在布鲁赫萨尔(Bruchsal)进行的。测试部的研究人员每天制造大约20块电池。然后,他们会在一年当中对这些电池进行测试——每次同步测试1700块电池,测试需要几个月甚至是几年的时间。到目前为止,已经在测试阶段达到了55000次循环。佐拉(Pszolla)表示,“我们尽量在每次测试中制造尽可能多的电解液变体,以获得更快的结果,为我们的研发工作累积更多的数据。”

这1700个测试通道会生成大量数据,从而使得公司能够根据最新的结果做出决策。布钦说,他为这个实验室和这个团队感到骄傲。“在研发电池和利用理论知识研究如何将电池投入生产方面,我们是欧洲做得最好的公司之一。”

英诺利的目标包括,在未来五年内成为全球最大的电网稳定储能电池供应商。同时,还计划拓展并抢占20%以上的市场份额;成为快速的技术创新者;授权该项技术的使用;以及在亚洲、欧洲和北美拥有三个电池制造合作伙伴。

在未来几年内,英诺利将主要拓展在全球市场拥有10至20个产品合作伙伴,以及25至50个当地销售伙伴。这一增长将建立在马里兰州Gridbank储能系统的基础之上。从理论上讲,无机电解液似乎能改变游戏规则;允许储能系统进行更多次数、更长时间的循环,

这将带来更大和更好的收入来源。如果重量问题能够得到解决,那么电池安全证书也会在消费市场和移动市场受到欢迎。