电池是一个环境友好型比其他绿色技术更少污染和处理问题的能源形式。然而，制造商正在努力解决各种成本、质量、安全和重量问题。电池工程师正在通过提高规模经济和开发高效的生产流程来应对这些挑战。
锂离子电池目前在消费类电子产品、混合动力和电动汽车等应用领域的高级电池市场处于领先地位，它是传统铅酸技术之外的重要一步。
然而，无论从技术性能还是成本上看，该技术仍低于市场需求。这些缺点和未来对能源储存的巨大潜在需求正促使工程师开发新一代设备。
Navigant research研究主管克里-安•亚当森(Kerry-Ann Adamson)表示:“这项创新的目标是找到成本更低的原材料，提高生命周期预期。”“反过来，这将降低所有电池应用的资本成本和总拥有成本。电气化运输和固定储存[应用]都要求较低的价格点，以实现全面电气化。
亚当森说:“目前用于清洁技术应用的先进电池技术无法满足市场需求。”“虽然锂离子电池(获得了广泛的普及)，但经过近20年的商业化努力，竞争领域仍然是开放的。”
不断增长的需求
在接下来的十年里先进的电池工业将经历巨大的增长。来自世界各地大学和政府实验室的新兴技术目前正在解决各种各样的问题。
美国是电池研发的中心。事实上，美国政府拥有从国防部到能源部等6个联邦机构管理的39个电池和储能研究项目。
亚当森说:“从2009年到2012年，这些项目总共投资了大约13亿美元。”“从现在到本世纪末，全球电网规模的先进电池市场将获得近300亿美元的投资。”与此同时，全球对先进电池的需求预计将从目前的100亿美元增加两倍，到2020年将超过300亿美元。
尽管潜力巨大，但产量仍然相对较小。与此同时，成本仍然很高。
根据国家可再生能源实验室(NREL),大型锂离子电池材料的成本(NREL计算大约52%的细胞总成本)=整个消费电子产品电池的成本每千瓦小时(约200美元),尽管这两种细胞使用相似的材料。
Vishal Sapru表示:“随着下一代电池的发展，以及最初的重点放在电动汽车上，电池的成本(相当)高。，弗罗斯特沙利文公司(Frost & Sullivan Inc.)的行业经理表示:“电动汽车的普及一直很缓慢，这导致了电池制造商的高成本。
“为了抵消成本，制造商正在考虑国防、电信和电力公用事业等其他可以使用这些电池的(行业)，”Sapru补充说。“同样的电池，稍加修改，就可以用于这些应用。”
锂离子电池市场中增长最快的部分之一是薄的、扁平的包层铝箔电池。与传统的圆柱形电池相比，它们提供了更好的功率和容量。平板电池的设计也能更好地散热，有助于提高安全性和延长电池寿命。而且，更薄的外形使超薄的电子产品成为可能。
Sapru解释说:“下一代设备能够减轻电池的总重量，延长寿命，提高能量密度，提高充电效率，同时也能在极端条件下工作。”
“仍然需要解决的关键问题是成本，”Sapru指出。“这类电池的初始成本可能会(保持)很高，直到需求增加，使它们具有成本竞争力。”
几种先进的电池技术目前正在开发中，如锂-空气、锂-水和锂-硫。IBM Corp.、丰田汽车(Toyota Motor Corp.)和其他大型制造商的工程师一直在关注锂空气电池。它们比锂离子电池具有更高的能量密度，因为它们的阴极更轻，而且它们的主要燃料是氧气。与锂离子电池相比，锂空气电池需要更少的材料，并且允许工程师使用更轻的包装。
”锂空气电池多孔能源技术有限责任公司的首席执行官Tim Feaver说，该公司生产用于大型锂离子电池的电极分离器。“但是，要使这些细胞变得实用，还有很多研究要做。
另一项有前途的新兴技术是固态电池。它使用的不是液体电解质，而是固体电解质，这使得工程师可以制造出更紧凑、更稳定的电池，在更小的空间中封装高电压。
Feaver说:“固态电池在信用卡、资产跟踪和不需要大量能源的类似移动应用中显示出了前景。”“在大多数消费电子产品中使用的更大的电池中，它们的前景就不那么乐观了，在电动自行车、汽车、工具和类似应用中就更不乐观了。”
无论在不久的将来会发生什么，大多数专家都认为锂离子电池不会像白炽灯那样很快消失。
Feaver补充说:“全行业都对通过高容量阳极和高压化学方法提高锂离子电池的容量非常感兴趣。”“混合超级电容器具有电容器的长周期寿命和高功率，但能量密度接近锂离子电池，也引起了很多人的兴趣。”
“不可否认，化学在未来电池中扮演着重要的角色，尽管在很大程度上，重点仍将是基于锂的化学物质，”锂离子电池组领先制造商Palladium Energy Inc.运营副总裁Bob Sweeney补充道。
Sweeney解释说:“近期的趋势将是阴极和阳极的发展，以增加未来储能系统的能量密度和降低成本。”“电子管理系统的尺寸和复杂性也将增加，(因为)将出现一种趋势，即通过关注主机系统的优化和安全，重新考虑电池。”
组装的挑战
大规模生产是困扰下一代电池制造商的一个问题。事实上，上个月，国家先进技术电池联盟(NAATBatt)主办了一个研讨会，讨论如何降低在美国制造锂离子电池的成本。根据NAATBatt的执行董事吉姆·格林伯格的说法，“降低电池成本的许多容易实现的成果在于开发更好、更快和更有效的方法来生产电池。”
菲弗指出:“如今，电池的生产仍然是一次一个过程。“为了降低成本，电池制造商正在寻求各种途径。
“降低(电池)成本的最好方法是让它们运行得更快，并提高产量，”菲弗说。“制造商们正在试验组装过程的各个方面的自动化，并向更自动化的电池装配线转移，远离手工组装产品，即便是在中国。劳动力成本的增加正促使电池制造实现自动化。”
传统上，平板电池的生产既困难又昂贵。“电极就像一片箔，但比你在厨房里用的薄，”菲弗解释说。分离机甚至更薄，可能会像你用来盖碗的厨房保鲜膜一样，粘在上面或起皱。在电池中，电极和分离器必须非常精确地对齐，对于这些薄材料来说，这是非常困难和耗时的。”
目前用来制造平叠电池的机器是机器人拾取堆叠设备。他们使用光学对准技术精确地将每个单独的组件放在堆栈上。无论单元格是大是小，堆叠器每次添加一层，平均速度略低于每层1秒。
一个典型的电动汽车电池可能有200层或更多(50对电极和100层隔膜)。以这样的速度建造一个需要3分钟以上。相比之下，一个类似大小的传统伤口细胞通常只需要30秒甚至更少的时间。
菲弗指出:“这就是为什么尽管绕线过程存在缺陷，制造商仍坚持使用绕线过程的原因。”“到目前为止，还没有一种快速、经济的方法来制造性能最高的电池设计。”
多孔能源公司最近开发了一种高通量电池生产系统，称为矩阵组装系统。它允许数十个或数百个电池组件同时堆叠或缠绕，而不是使用当前的一次一个生产技术。
Palladium Energy的Sweeney表示:“广泛采用的最大障碍仍然是性能vs.容量和价格。”“降低成本需要的不是批量生产，而是技术改进和设计效率。
Sweeney补充道:“行业最大的趋势是增加电池测试能力和主机系统感知能力，以减少开发时间。“它让工程师在问题出现在生产现场之前就能解决问题。然后，我们需要解决生产链中的这些因素——首先是通过改进技术;第二，通过制造技术降低生产成本;第三是标准化。”
钯能源公司最近实施了一个涉及机器人和自动化的新项目。Sweeney指出:“这对我们来说非常有效，因为这个项目是一个产量很高的产品。”“大多数自动化都围绕着机械、尺寸和电气功能测试。我们希望利用这一经验，看看能否将其经济地应用到我们更大的业务领域，即规模更小、结构更复杂的领域。”
钯能源公司专门为从医疗到国防等多个行业定制工程电池，而不是为消费者生产大量的AA碱性电池。
Sweeney解释道:“我们面向消费者的产品有合理的数量，但总的来说，我们面临的挑战是更低的数量和更高的组合。”“我们的大多数流程是手动和半自动的。所以，对于我们来说，我们更多考虑的是范围经济。
Sweeney补充道:“我们应对制造挑战的重点是部署精益生产工具和灵活的流程。“我们正在以产品系列为中心的生产单元中部署快速更换、小批量拉动式系统和混合模式制造的经典概念。”
