半固態(tài)電池邁進(jìn)一步:含有凝膠電解質(zhì)的電池

本月早些時(shí)候，中國宣布將向一項(xiàng)基金注資60億元人民幣（約合8.26億美元），該基金旨在刺激該國領(lǐng)先的電池制造商開發(fā)固態(tài)電池。固態(tài)電池使用玻璃、陶瓷或固體聚合物材料的電解質(zhì)，而不是當(dāng)今絕大多數(shù)電動(dòng)汽車 （EV） 電池中的液態(tài)鋰鹽。它們備受期待，因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏仁菐в幸后w電解質(zhì)的電池的三到四倍，在其生命周期內(nèi)提供更多的充放電循環(huán)，并且更不容易受到偶爾導(dǎo)致鋰電池著火的熱失控反應(yīng)的影響。

但中國對未來電池的投資不太可能加快大規(guī)模生產(chǎn)和在量產(chǎn)車上使用的時(shí)間表。正如IEEE Spectrum在1月份指出的那樣，在短期內(nèi)在量產(chǎn)車中尋找固態(tài)電池是不現(xiàn)實(shí)的。Spectrum當(dāng)時(shí)咨詢的專家“注意到對這些公告的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)持懷疑態(tài)度。沒有人能孤立出地平線上的任何東西，這表明固態(tài)技術(shù)可以擺脫未來的工程和'生產(chǎn)地獄'。

“在這一點(diǎn)上說，任何一種電池和任何一個(gè)國家在電池研發(fā)方面的投資將在未來占據(jù)主導(dǎo)地位，這是完全不正確的?！猄TEVE W. MARTIN，愛荷華州立大學(xué)

要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車固態(tài)電池的規(guī)模化生產(chǎn)，首先需要在性能、壽命和車輛推進(jìn)的相對成本方面驗(yàn)證現(xiàn)有的固態(tài)電池技術(shù)，這些技術(shù)現(xiàn)在正用于其他要求較低的應(yīng)用。研究人員仍然必須確定這些電池如何隨著年齡的增長而吸收和保持電荷并提供電力。他們還需要提供證據(jù)，證明玻璃或陶瓷電池可以承受在顛簸道路上行駛時(shí)帶來的刺耳，并證明它可以承受偶爾的擋泥板彎曲。
半固態(tài)電池來了

與此同時(shí)，當(dāng)全世界都在等待固體電解質(zhì)將液體推到一邊時(shí)，中國電動(dòng)汽車制造商蔚來汽車和電池制造商微獅新能源科技有限公司（WeLion New Energy Technology Co.）合作，在市場上爭奪第三種選擇：帶有凝膠電解質(zhì)的半固態(tài)電池。

CarNewsChina.com 在4月份報(bào)道說，WeLion電池的能量密度為每公斤360瓦時(shí)。完全封裝后，電池的額定密度為 260 Wh/kg。與磷酸鐵鋰電池相比，這仍然是一個(gè)顯著的改進(jìn)，磷酸鐵鋰電池的密度最高為160 Wh / kg。上個(gè)月，蔚來汽車在上海、成都和其他幾個(gè)城市對蔚來電動(dòng)汽車進(jìn)行了測試，微獅電池組一次充電可行駛超過1000公里。蔚來汽車表示，計(jì)劃從本月開始在其汽車陣容中推出這種新型電池。

但是，中國政府的慷慨解囊，以及蔚來汽車與世界雄獅的合作，試圖率先將半固態(tài)電池投入量產(chǎn)車，這不應(yīng)該成為過早地將電動(dòng)汽車推進(jìn)游戲稱為對中國有利的誘惑。

艾姆斯的愛荷華州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授史蒂夫·W·馬?。⊿teve W. Martin）如是說。Martin的研究領(lǐng)域包括用于固態(tài)鋰電池的玻璃固體電解質(zhì)和用于鋰電池的高容量可逆陽極，他認(rèn)為固態(tài)電池是未來，混合半固態(tài)電池很可能是液態(tài)電池和固態(tài)電池之間的過渡。然而，他說，“在這一點(diǎn)上說，任何一個(gè)電池和任何一個(gè)國家在電池研發(fā)方面的投資將在未來占據(jù)主導(dǎo)地位，這是完全不正確的。馬丁解釋說，“現(xiàn)在有太多不同種類的固態(tài)電池正在開發(fā)中，其中沒有一個(gè)具有明確的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。
半固態(tài)電池的優(yōu)勢

使半固態(tài)電池優(yōu)于傳統(tǒng)電池的主要?jiǎng)?chuàng)新是半固態(tài)電解質(zhì)，它們的名字由此而來。與液體電解質(zhì)一樣，凝膠電解質(zhì)含有離子導(dǎo)體，例如鋰鹽，但它們懸浮在凝膠基質(zhì)中的方式支持更有效的離子電導(dǎo)率。增強(qiáng)離子從電池一側(cè)到另一側(cè)的傳輸，促進(jìn)了電流在相反方向上的流動(dòng)，從而形成一個(gè)完整的電路。這在充電階段很重要，因?yàn)樵撨^程比在帶有液體電解質(zhì)的電池中發(fā)生得更快。凝膠的結(jié)構(gòu)還可以抵抗樹突的形成，樹突是充電過程中在陽極上形成的針狀結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致短路。此外，凝膠的揮發(fā)性低于液體電解質(zhì)，因此不易著火。

雖然半固態(tài)電池?zé)o法達(dá)到固體電解質(zhì)電池的預(yù)期能量密度和壽命，但它們在短期內(nèi)處于優(yōu)勢地位，因?yàn)樗鼈兛梢栽趥鹘y(tǒng)的鋰離子電池生產(chǎn)線上制造。同樣重要的是，它們已經(jīng)過測試，現(xiàn)在可以使用，而不是在某個(gè)未知的日期。

半固態(tài)電池可以在傳統(tǒng)的鋰離子電池生產(chǎn)線上制造。

除了WeLion之外，還有幾家公司正在積極開發(fā)半固態(tài)電池。包括寧德時(shí)代、比亞迪在內(nèi)的中國著名電池制造商，以及國有汽車制造商一汽集團(tuán)和上汽集團(tuán)，與微獅一樣，都是中國在國內(nèi)推進(jìn)下一代電池技術(shù)計(jì)劃的受益者。另外，2009年在中國贛州成立的初創(chuàng)公司Farasis Energy正在與梅賽德斯-奔馳合作，將先進(jìn)電池商業(yè)化。
固態(tài)電池的前進(jìn)之路

美國初創(chuàng)公司QuantumScape表示，其正在開發(fā)的固態(tài)鋰金屬電池將提供約400 Wh / kg的能量密度。該公司指出，其電池消除了傳統(tǒng)鋰離子電池中出現(xiàn)的充電瓶頸，其中鋰必須擴(kuò)散到碳顆粒中。因此，QuantumScape 的先進(jìn)電池將允許在 15 分鐘內(nèi)將 10% 的電量從 10% 快速充電到 80%。這還有很長的路要走，但這家總部位于硅谷的公司今年3月宣布，它已開始將其原型Alpha-2半固態(tài)電池運(yùn)送給制造商進(jìn)行測試。

豐田是一群不打算對沖賭注的公司之一。這家汽車制造商無視反對者，計(jì)劃到2027年將固態(tài)電池商業(yè)化，據(jù)稱這將使電動(dòng)汽車一次充電可行駛1,200公里，并允許10分鐘的快速充電。它將其樂觀歸因于解決耐久性問題的突破。對于像Solid Power這樣的公司來說，它也是固態(tài)或蕭條。Solid Power旨在將具有專有硫化物基固體電解質(zhì)的鋰電池商業(yè)化，該公司已與主要汽車制造商福特和寶馬合作。ProLogium Technology也在為固態(tài)電池的推出做準(zhǔn)備，該公司聲稱將于今年開始提供將陶瓷氧化物電解質(zhì)與無鋰軟陰極（能量密度超過500 Wh / kg）相結(jié)合的電池。該公司與梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）合作，今年早些時(shí)候在臺灣桃園開設(shè)了世界上第一家千兆級固態(tài)鋰陶瓷電池工廠，表明了對其時(shí)間表的信心。