伊利诺伊州唐纳斯格罗夫镇——随着当前电池系统达到其性能极限，研究人员正在仔细检查锂离子电池的每个组件，以便开发能够使电动汽车更好地与燃油发动机竞争的储能机制。
自 1970 年代发明以来，锂离子系统取得了巨大的进步。这些电池已经从昂贵、易燃的能源系统发展成为为新型移动设备和电动汽车供电的首选化学品。尽管如此，价格仍需进一步下降，电池本身也需要更加耐用，才能让电动汽车进入更多的车道和车库。
芝加哥郊外的阿贡国家实验室的研究人员现在正在解决这个问题，从计算机中按分子设计电池到事后电池分析。在此过程中，该机构希望创造出能够推动行业发展的创新，使美国制造商在这些储能系统进入汽车引擎盖下时，相对于其他国家/地区更具优势。
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阿贡高级锂电池项目高级研究员兼经理哈利勒·阿明指出，从历史上看，美国在储能研究方面处于世界领先地位，但其他国家，如韩国、日本和中国，在这些技术的商业化方面做得更好。
但随着汽油价格高涨和全球竞争加剧，美国政府重新燃起了在其境内开发和生产下一代电池的兴趣。“储能现在具有很强的战略性，不仅对阿贡而言，对国家而言也是如此，”阿明说。“谁开发出这项技术，谁就会成为电池领域的沙特阿拉伯，所以很明显，获得这些技术至关重要。”
根据 2009 年的《美国复苏与再投资法案》，阿贡获得了 880 万美元的资金，用于建造新的实验室，以设计电池组件、测试它们、扩大其生产规模、建造原型、进行测试和分析它们。
更便宜、更强大的电池从分子开始
尽管其他一些国家投入了更多的人力来研究储能，但阿明表示，阿贡有自己的优势。“在这里，我们使用先进的超级计算机来设计用于验证的分子，”他说，这使得工程师可以从头开始创建合适的分子，而不是测试各种材料以确定哪种材料可行。“这是公司不具备的非常强大的工具。”
一旦研究人员找到电池组件的候选分子，他们就会少量生产，以查看其是否按预期工作，通常以 100 至 500 克的批量生产。然而，许多有前途的材料在过去都衰落了，未能从试管跃升到装配线并引起工业界的兴趣。
阿贡的研究员格雷戈里·克鲁姆迪克解释说：“正在进行伟大的研究，正在开发伟大的材料，但其中很少有材料能够走出实验室。”“当你扩大技术规模时，在试验台上有效的方法在工业规模上将不起作用。”
为了弥合这个“死亡之谷”，阿贡正在建设材料工程研究设施。该实验室采用生产用于电解质、阴极和阳极的克级化合物的工艺，并将产量提高一个或多个数量级。克鲁姆迪克是这个规模扩大设施的首席系统工程师。
科学家倾向于像工匠一样制作他们的化学品，使用专门的工具，并以少量形式形成产品。这使他们能够精确控制自己的工作并调整流程，通过实验和计算机模型验证他们的结果。这种材料通常足以用于像为手表供电的纽扣电池，但是要让制造商真正感兴趣，你必须使用更便宜的、现成的硬件制造出足够大的电池。
对这项服务的需求迅速而强烈：在新的扩大规模设施正在建设的同时，阿贡已经启动了两个临时实验室，一个用于阴极材料，一个用于电解质材料。根据克鲁姆迪克的说法，电池电解质装置用于研究“提高安全性，降低易燃性极限[和]防止热失控”。“阴极材料是提高能量密度、提高性能、提高电池循环寿命的地方。”
在阿贡校园内一栋宽敞的仓库式建筑中，在压缩机和风扇的喧嚣声中，在通风橱和粉末罩下工作的科学家在玻璃共沉淀反应器中混合溶液。由此产生的蓝绿色液体位于 20 升的大型容器中，棕色的阴极材料沉淀在底部。将这种材料洗涤、干燥、与锂盐混合并加热。
从试验台跃升到伏特
最终的黑色粉末，每批次重约一公斤，被放入银色袋子中，制成测试电池，通常是标准的 18650 电池（大约相当于 AA 电池的大小），或像手机中使用的软包电池。“这种尺寸是行业可以真正测试并制造大量电池以确定‘这种材料好不好？’”克鲁姆迪克说。还将该材料与小批量生产的物质进行比较，以确保其行为方式仍然相同。
已经运行了一年多的临时电解质设施使用传统设备来混合和处理有机物质。研究人员已经扩大了六种电解质化合物的规模。他们上周开始将设备转移到新的扩大规模设施，尽管该基地的部分仍在建设中。借助新实验室中改进的安全系统，克鲁姆迪克预计将通过 200 升的反应器进一步提高生产量。
阴极设施更具挑战性。“能够制造和扩大阴极材料的规模并非易事，所需的设备也并非现成，”克鲁姆迪克说，他指出，具有精确大气控制的煅烧炉等硬件必须从韩国、日本和德国购买。
临时实验室已运行了六个月，团队仍在梳理流程。“我们已经制造了材料，但我们不认为它已完全优化，我们仍在努力改进其性能，”他说。最终，克鲁姆迪克预计将生产 100 公斤批次的阴极化合物。
这个数量是一个重要的门槛。“你可以很容易地将其提高到吨级，并且你的经济计算将是线性的，因此你将能够计算出制造该材料的成本，”克鲁姆迪克说。该实验室现在正在与多家公司就其材料的许可协议进行谈判。阿贡开发的阴极材料已用于通用汽车公司的插电式混合动力汽车 2011 款雪佛兰 Volt。
使用新材料，研究人员还可以制造用于测试的电池。在电化学分析和诊断实验室，研究人员对设备（从高金属圆筒到扁平盒子）进行测试，这些设备包括单个电池和全尺寸多电池模块，模拟电池的整个使用寿命，以查看故障发生的方式以及性能如何下降。
奥黑尔/棕榈泉测试
在米色橱柜的玻璃门后面，电池在普通而非极端的温度和大气条件下反复充电和放电，以查看电池在冬季被留在芝加哥奥黑尔机场的长期停车场中会如何反应，或者它们在加利福尼亚州棕榈泉炎热的一周后是否仍能正常工作。计算机控制的测试系统每天 24 小时运行。
测试设施的化学家和实验室经理艾拉·布卢姆说：“我们在这个部门所做的是，将材料从发现到青春期和少年时期，进行锻炼，然后将其置于死亡，看看发生了什么变化。”
一旦电池不再承受痛苦，科学家们就会在测试后设施中进行尸检。锂会与空气和湿气发生反应，因此整个过程都在充满惰性气体的密封手套箱中进行，使用锯子和陶瓷剪刀等工具来防止布卢姆描述为“非常粗糙的过程”中的短路。
在切开电池后，研究人员会分析电解质、阴极、阳极和其他组件发生了什么。他们可以使用拉曼光谱仪、X 射线光电子能谱仪、气相色谱仪、扫描电子显微镜和热重分析仪来找出电池变老时发生了什么、它释放了什么化合物、其结构如何变化以及哪些部件磨损了。然后，该团队可以确定导致观察到的结果的原因，并找出控制这些因素的方法。
布卢姆发现电池受温度影响最大，其次是充电和放电的强度。特别是锂离子电池不喜欢闲置，这会缩短其寿命。
有了这样的信息，电池和汽车制造商就可以弄清楚如何为其储能系统设置保修，同时了解该技术在性能和安全方面的限制。“目前，他们的目标是电池使用寿命为 15 年，”布卢姆说。
据布卢姆称，该设施的容量预计将翻一番，以应对大量的测试材料积压。这个过程是渐进的，他预计这些设计中的一些需要 5 到 10 年才能进入市场。“这更像是一种进化，而不是一场革命，”他说。
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