PNAS最新展望：从实验室到产业化，固态电池是否可行？

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锂电那些事今日第三条2024年12月25日星期三

在过去的十年中，锂离子电池以其性能的提升和成本的大幅下降，彻底改变了我们的现代生活，为手机、电动汽车（EVs）等提供了强大的动力。然而，随着成本的持续下降，性能提升的步伐可能会放缓甚至停止。面对这一挑战，全球的公司和大学科学家们正在投入巨大的时间和资源，致力于新的化学和材料研究，以实现更快的充电速度和更长的电池寿命。

这些研究和开发已经开始在一类名为固态电池的新设备中结出硕果。与传统锂离子电池不同，固态电池使用固态电解质，这使得它们能够容纳更多的能量，同时提供更高的安全性和能量密度。这些特性预示着固态电池可能比现今的电池更安全、更高效，最终可能更经济，降低电池的制造成本。

近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了一篇题为“Solid-state batteries could revolutionize EVs and more—if they can surmount technical and financial hurdles”的文章，深入探讨了固态电池技术的未来发展前景，并特别强调了在产业化应用中所面临的技术和成本挑战。

丰田声称最早将在2027年推出续航750英里的固态电池汽车，两家中国汽车公司—蔚来和小鹏汽车承诺在一年内推出量产车型。但几乎所有人都持怀疑态度。“制造比锂离子电池更好的电池真的很难”总部位于加州圣何塞的QuantumScape的首席技术官蒂姆·霍尔姆说。霍尔姆和他的公司仅选择固态电池的固态电解质材料就花费了五年时间和1亿美元，然后又花费了另外五年时间和2亿美元制造原型，送往汽车公司评估，并进行了超过200万次测试。这就是为什么大多数研究人员认为商业化还需要几年时间。例如，奇斯曼预测固态电池在主流电动汽车中的应用还需要八年，“固态电池的设计、化学和制造存在许多挑战”。

石墨和硅负极的应用

首先，考虑锂离子电池的工作原理，充电会将锂离子从正极通过液态电解质推入石墨负极。利用这些能量点亮电脑屏幕或加速汽车，会使锂离子迅速返回正极，产生电流。在许多方面，石墨是负极的极佳材料。但使用石墨带来了一个基本的物理限制，石墨的组成意味着需要六个碳原子才能容纳一个锂原子。通过使用更多的石墨可以增加电池的能量容量，但这会增加重量，使锂进出更加困难，从而降低充电速度，减少电池的功率输出能力。当今最好的商业化锂离子电池的能量密度约为280 Wh/kg，远高于铅酸电池的约75 Wh/kg。据估计，使用石墨负极的锂离子的理论最大值约为300 Wh/kg，这对于主流的500英里续航汽车是不够的。因此，例如硅可以容纳每个硅原子的四个锂离子，因为材料会膨胀高达400%以容纳锂，提供的能量容量是石墨的10倍。问题是，这种膨胀带来了重大挑战，如硅中的裂纹和功能丧失。

锂金属负极的应用

锂金属本身甚至更好，结合了高容量和超轻重量。锂负极提供了至少400-500 Wh/kg的潜在能量密度作为起点，有可能达到1000 Wh/kg甚至更高。ARPA-E的新PROPEL-1K项目正在资助13项研究工作——其中3项是固态电池——以开发1000 Wh/kg的电源，例如。在20世纪70年代末锂离子电池发明不久后，研究人员开始尝试使用锂负极制造电池。但当锂离子移动到负极时，它们并没有紧密地聚集在一起形成平滑的金属板，而是倾向于扩散开来形成类似树根的分支结构，称为枝晶。这些枝晶可以一直从负极长到正极，使电池短路。鉴于电池中压缩的巨大能量，这可能导致毁灭性的火灾。

一个解决方案是使用固态物理阻止枝晶的形成——换句话说，就是制造固态电池。“固态之所以重要，是因为它使得使用锂金属负极成为可能”霍尔姆解释道。然而，制造一个可行且实用的固态电解质极其困难。不仅锂金属反应性极高，要求界面异常稳定，而且固态材料还必须作为电池的电解质，充电和放电时轻松地传导锂离子。但与液态电解质相比，固态电解质对离子流动的阻力要大得多，这限制了电池性能，特别是在低温环境下。在过去十年由ARPA-E资助的项目中，许多固态电池在0℃以下无法工作。

安全问题

聚合物是最早被考虑用于固态材料的候选材料之一。然而，它们需要被加热到60-80℃以降低阻抗，使电池能够工作。此外，聚合物可能起火，这削弱了从易燃液态电解质转向固态电解质的主要优势之一。锂金属聚合物电池在2005年的概念车中得到展示，然后在法国Blue Solutions公司的电动公交车中在2020年代初得到应用。2022年4月，配备这些电池的两辆公交车发生火灾，但Blue Solutions现在表示问题已经解决。这些公交车正在恢复服务，今年，该公司宣布计划建造一个大型工厂来制造声称能量密度比锂离子电池高出30-40%的固态电池。

然而，大多数其他公司正在采取他们认为更安全的固态电池路线。ION Storage Systems是马里兰大学Eric Wachsman实验室衍生出的公司，它押注于由石榴石制成的电解质。Wachsman解释道，公司通过使固态电池非常薄，仅10微米，来增加固态电池的导电性。在一个更厚的多孔三维（3D）氧化物层上，锂离子流入其中，在电池充电时形成金属负极。3D层使得负极能够在不扩大阳极尺寸的情况下形成，这与一些竞争的锂金属阳极技术不同。使用标准正极，ION旨在制造一种容量为400-500 Wh/kg的电池，可以在15分钟内完全充电，并经过数百个循环而不损失容量。

其他方法包括丰田和科罗拉多州路易斯维尔的Solid Power使用的固态硫化物电解质，以及马萨诸塞州沃本的Factorial公司制造的含有液体或凝胶的准固态电解质。大学团队也在探索使用钠而非锂的固态电池，或在锂负极中掺杂硅，这些材料更便宜、更丰富，且较少受到环境问题的困扰。

产业化发展

实验室的成功只是第一步。“把东西做成邮票大小是一回事，但把它做成8英寸乘11英寸的大小，然后把它们堆叠在一个电池包里，又是另一回事，”奇斯曼说。最终的障碍是将固态电池的成本降低到足以与锂离子电池竞争的程度。让这项任务更加困难的是，锂离子技术本身也是一个不断变化的目标，因为价格继续下降，新的发展不断涌现。

然而，固态电池的优点如此显著，以至于其最终的广泛采用是不可避免的，奇斯曼说。在电池中至少拥有500 Wh/kg的容量，支持者设想电动汽车能够在不充电的情况下行驶400英里或更远的距离。一次完整的充电速度可能与给油箱加油一样快。这将使那些无法在家中充电的人更易于拥有电动汽车。从理论上讲，固态电池最终将使手机能够连续使用数天，并为船舶、火车甚至短程飞机提供动力。此外，这些电池还可以帮助为电网增加更多可再生能源，尤其是因为一些固态电池技术不需要耗费能量的温度调节，与锂离子电池农场不同。瓦克斯曼补充说：“我们将不再看到关于电池起火的报道。”

在霍尔姆看来，多年的努力和数百万美元的研究投入都是值得的。“我认为我们的使命非常重要，”他说。“世界将需要越来越好的电池。

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