伊利諾伊州唐納斯格羅夫鎮——隨著當前電池系統達到其效能極限，研究人員正在仔細檢查鋰離子電池的每個元件，以便開發能夠使電動汽車更好地與燃油發動機競爭的儲能機制。
自 1970 年代發明以來，鋰離子系統取得了巨大的進步。這些電池已經從昂貴、易燃的能源系統發展成為為新型移動裝置和電動汽車供電的首選化學品。儘管如此，價格仍需進一步下降，電池本身也需要更加耐用，才能讓電動汽車進入更多的車道和車庫。
芝加哥郊外的阿貢國家實驗室的研究人員現在正在解決這個問題，從計算機中按分子設計電池到事後電池分析。在此過程中，該機構希望創造出能夠推動行業發展的創新，使美國製造商在這些儲能系統進入汽車引擎蓋下時，相對於其他國家/地區更具優勢。
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阿貢高階鋰電池專案高階研究員兼經理哈利勒·阿明指出，從歷史上看，美國在儲能研究方面處於世界領先地位，但其他國家，如韓國、日本和中國，在這些技術的商業化方面做得更好。
但隨著汽油價格高漲和全球競爭加劇，美國政府重新燃起了在其境內開發和生產下一代電池的興趣。“儲能現在具有很強的戰略性，不僅對阿貢而言，對國家而言也是如此，”阿明說。“誰開發出這項技術，誰就會成為電池領域的沙烏地阿拉伯，所以很明顯，獲得這些技術至關重要。”
根據 2009 年的《美國復甦與再投資法案》，阿貢獲得了 880 萬美元的資金，用於建造新的實驗室，以設計電池元件、測試它們、擴大其生產規模、建造原型、進行測試和分析它們。
更便宜、更強大的電池從分子開始
儘管其他一些國家投入了更多的人力來研究儲能，但阿明表示，阿貢有自己的優勢。“在這裡，我們使用先進的超級計算機來設計用於驗證的分子，”他說，這使得工程師可以從頭開始建立合適的分子，而不是測試各種材料以確定哪種材料可行。“這是公司不具備的非常強大的工具。”
一旦研究人員找到電池元件的候選分子，他們就會少量生產，以檢視其是否按預期工作，通常以 100 至 500 克的批次生產。然而，許多有前途的材料在過去都衰落了，未能從試管躍升到裝配線並引起工業界的興趣。
阿貢的研究員格雷戈裡·克魯姆迪克解釋說：“正在進行偉大的研究，正在開發偉大的材料，但其中很少有材料能夠走出實驗室。”“當你擴大技術規模時，在試驗檯上有效的方法在工業規模上將不起作用。”
為了彌合這個“死亡之谷”，阿貢正在建設材料工程研究設施。該實驗室採用生產用於電解質、陰極和陽極的克級化合物的工藝，並將產量提高一個或多個數量級。克魯姆迪克是這個規模擴大設施的首席系統工程師。
科學家傾向於像工匠一樣製作他們的化學品，使用專門的工具，並以少量形式形成產品。這使他們能夠精確控制自己的工作並調整流程，透過實驗和計算機模型驗證他們的結果。這種材料通常足以用於像為手錶供電的紐扣電池，但是要讓製造商真正感興趣，你必須使用更便宜的、現成的硬體製造出足夠大的電池。
對這項服務的需求迅速而強烈：在新的擴大規模設施正在建設的同時，阿貢已經啟動了兩個臨時實驗室，一個用於陰極材料，一個用於電解質材料。根據克魯姆迪克的說法，電池電解質裝置用於研究“提高安全性，降低易燃性極限[和]防止熱失控”。“陰極材料是提高能量密度、提高效能、提高電池迴圈壽命的地方。”
在阿貢校園內一棟寬敞的倉庫式建築中，在壓縮機和風扇的喧囂聲中，在通風櫥和粉末罩下工作的科學家在玻璃共沉澱反應器中混合溶液。由此產生的藍綠色液體位於 20 升的大型容器中，棕色的陰極材料沉澱在底部。將這種材料洗滌、乾燥、與鋰鹽混合並加熱。
從試驗檯躍升到伏特
最終的黑色粉末，每批次重約一公斤，被放入銀色袋子中，製成測試電池，通常是標準的 18650 電池（大約相當於 AA 電池的大小），或像手機中使用的軟包電池。“這種尺寸是行業可以真正測試並製造大量電池以確定‘這種材料好不好？’”克魯姆迪克說。還將該材料與小批次生產的物質進行比較，以確保其行為方式仍然相同。
已經運行了一年多的臨時電解質設施使用傳統裝置來混合和處理有機物質。研究人員已經擴大了六種電解質化合物的規模。他們上週開始將裝置轉移到新的擴大規模設施，儘管該基地的部分仍在建設中。藉助新實驗室中改進的安全系統，克魯姆迪克預計將透過 200 升的反應器進一步提高生產量。
陰極設施更具挑戰性。“能夠製造和擴大陰極材料的規模並非易事，所需的裝置也並非現成，”克魯姆迪克說，他指出，具有精確大氣控制的煅燒爐等硬體必須從韓國、日本和德國購買。
臨時實驗室已運行了六個月，團隊仍在梳理流程。“我們已經制造了材料，但我們不認為它已完全最佳化，我們仍在努力改進其效能，”他說。最終，克魯姆迪克預計將生產 100 公斤批次的陰極化合物。
這個數量是一個重要的門檻。“你可以很容易地將其提高到噸級，並且你的經濟計算將是線性的，因此你將能夠計算出製造該材料的成本，”克魯姆迪克說。該實驗室現在正在與多家公司就其材料的許可協議進行談判。阿貢開發的陰極材料已用於通用汽車公司的插電式混合動力汽車 2011 款雪佛蘭 Volt。
使用新材料，研究人員還可以製造用於測試的電池。在電化學分析和診斷實驗室，研究人員對裝置（從高金屬圓筒到扁平盒子）進行測試，這些裝置包括單個電池和全尺寸多電池模組，模擬電池的整個使用壽命，以檢視故障發生的方式以及效能如何下降。
奧黑爾/棕櫚泉測試
在米色櫥櫃的玻璃門後面，電池在普通而非極端的溫度和大氣條件下反覆充電和放電，以檢視電池在冬季被留在芝加哥奧黑爾機場的長期停車場中會如何反應，或者它們在加利福尼亞州棕櫚泉炎熱的一週後是否仍能正常工作。計算機控制的測試系統每天 24 小時執行。
測試設施的化學家和實驗室經理艾拉·布盧姆說：“我們在這個部門所做的是，將材料從發現到青春期和少年時期，進行鍛鍊，然後將其置於死亡，看看發生了什麼變化。”
一旦電池不再承受痛苦，科學家們就會在測試後設施中進行屍檢。鋰會與空氣和溼氣發生反應，因此整個過程都在充滿惰性氣體的密封手套箱中進行，使用鋸子和陶瓷剪刀等工具來防止布盧姆描述為“非常粗糙的過程”中的短路。
在切開電池後，研究人員會分析電解質、陰極、陽極和其他元件發生了什麼。他們可以使用拉曼光譜儀、X 射線光電子能譜儀、氣相色譜儀、掃描電子顯微鏡和熱重分析儀來找出電池變老時發生了什麼、它釋放了什麼化合物、其結構如何變化以及哪些部件磨損了。然後，該團隊可以確定導致觀察到的結果的原因，並找出控制這些因素的方法。
布盧姆發現電池受溫度影響最大，其次是充電和放電的強度。特別是鋰離子電池不喜歡閒置，這會縮短其壽命。
有了這樣的資訊，電池和汽車製造商就可以弄清楚如何為其儲能系統設定保修，同時瞭解該技術在效能和安全方面的限制。“目前，他們的目標是電池使用壽命為 15 年，”布盧姆說。
據布盧姆稱，該設施的容量預計將翻一番，以應對大量的測試材料積壓。這個過程是漸進的，他預計這些設計中的一些需要 5 到 10 年才能進入市場。“這更像是一種進化，而不是一場革命，”他說。
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