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美國科技作家特里·珀森(Terry Persun)五月中旬在ASME網(wǎng)站發(fā)表文章說，電動汽車革命的焦點已轉(zhuǎn)向電池技術[1]。電動汽車的興起讓人們開始關注鋰離子電池的局限性。固體電池和替代鋰離子電池材料正引起人們的興趣。

移動設備和電動汽車的發(fā)展，已將電池技術推向極限。電池設計的新進展需要滿足當今的能源需求。

從手持工具到電腦和手機，從不間斷電源到衛(wèi)星，電池一直都是個重要的設計特征。 多年來，電池研究一直在增加能量密度(給定大小和重量下能源的量值)。從工業(yè)測量工具到移動電話，手持設備的興起帶來了更大能量密度的需求。 通信衛(wèi)星的增大，意味著電池的重量是個因素。 每項技術進步都傾向于把電池性能放在首位。在實驗室致力于電池技術升級的同時，電子技術繼續(xù)以更快的速度發(fā)展，需要的能量和功率也在不斷增大。

但直到電動汽車(EV)問世，制造商才開始認真考慮電池的重要性，以提供更大的續(xù)航里程、更高的可靠性和更低的成本。對于電動汽車市場來說，尺寸和重量與循環(huán)壽命一樣重要。 電池分為主電池(通常是一次性的，用于長期、低功率的應用)和二次電池(可充電的)，已經(jīng)看到它們一個又一個的創(chuàng)新，因為試圖提供比以前更高的能量密度。

當前電池的狀態(tài)

今天，最先進的一次性電池技術是以金屬鋰、亞硫酰氯(Li-SOCl2)和氧化錳(Li-MnO2)為基礎的。 適用于5～20年的長期應用，包括計量、電子收費、跟蹤、物聯(lián)網(wǎng)等。用于電信、航空和鐵路應用的充電電池的主要化學成分是鎳基(Ni-Cd, Ni-MH)電池。 鋰離子電池主導消費電子市場，并已將其應用擴展到電動汽車。 值得注意的是，電動汽車中使用的鋰離子電池數(shù)量超過了移動和信息技術應用的總和。

在手機、平板電腦和筆記本電腦市場增長的刺激下，推動鋰離子電池的能量密度越來越高。它與電池運行的小時數(shù)直接相關。 這個領域的電池專家，不斷調(diào)整技術以獲得更大的密度，包括改變化學成分和修改設計。他們甚至考慮了原材料供應鏈，認為鈷作為鋰離子設計的添加劑是昂貴和困難的。

 鋰離子電池是當今電池功率和儲能的主要來源。

能量密度的單位是每公斤的瓦特小時數(shù)(Wh/kg)。鋰離子設計提供最高密度250-270Wh/kg的商用電池。相比之下，鉛酸電池的容量不足100 Wh/kg，鎳氫電池的容量僅略高于100 Wh/kg。除了能量密度外，功率密度也是個重要的考慮因素。功率密度測量的是電池放電(或充電)的速率與能量密度的比值，能量密度是對總充電量的測量。例如，一個大功率的電池可以在幾分鐘內(nèi)放電完畢。 高能電池能放電幾個小時。 電池設計本質(zhì)上是在能量密度和功率密度之間的權衡。據(jù)美國固體技術公司(Solid State Technology)技術經(jīng)理Joong Sun Park說，“就功率密度而言，鋰離子電池可以極其強大，而統(tǒng)計關聯(lián)流體理論(Saft)能生產(chǎn)世界聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機和方程式賽車用功率密度最高的鋰離子電池，范圍高達50 kW/kg。”

在過去的30年里，鋰離子電池技術已取得顯著進步，但由于材料的限制，最好的鋰離子電池性能已接近極限。它們還有重大的安全隱患，譬如過熱時容易著火，致使成本上升，因為電池系統(tǒng)必須內(nèi)含安全功能。

問到替代鋰離子的材料，Park說，“我們正在開發(fā)替代材料和電池化學，以超越鋰離子，包括以鋰硫、鈉、鎂為基礎的設計。 一旦商業(yè)化，這些電池在能量密度或成本方面，肯定比現(xiàn)有的鋰離子電池有潛在的優(yōu)勢。 但與鋰離子電池相比，目前的技術成熟度還比較低。 因此，要與鋰離子電池競爭，就需要從可用材料到制造工藝方面有進一步的突破。” 最終看來，由于實際生產(chǎn)和學術研究之間的差距，鋰/鍶電池目前還沒有準備好商業(yè)化，但正在認真研究。

帕克解釋說，“減少碳污染的努力還與電池等儲能設備相結(jié)合，推動太陽能和風能等可持續(xù)能源發(fā)電的發(fā)展。” 這暗示一個事實，即更大的需求導致材料選擇、設計和制造過程的創(chuàng)新。 固體聚合物、陶瓷和玻璃電解液等材料，使固體電池和新型環(huán)保工藝，能去除鋰離子電池制造過程中使用的有毒溶劑。

固體電池

雖然目前這個行業(yè)主要集中在鋰離子電池上，但也在向固體電池設計轉(zhuǎn)變。 據(jù)美國可靠能源公司(Solid Power)首席執(zhí)行官與聯(lián)合創(chuàng)始人道格•坎貝爾(Doug Campbell)說，“上個世紀90年代最早發(fā)明鋰離子并商業(yè)化，到現(xiàn)在基本上沒有什么變化。 幾乎都有相同的電極組合，只有極小的調(diào)整。 這個行業(yè)已經(jīng)盡可能多地利用這項技術進行設計。” 可靠電力公司已試驗了幾種類型的材料，包括聚合物、氧化物和硫化物。 每一種都有其優(yōu)點和缺點。通過他們的研究，已選定進一步發(fā)展硫化物技術。

從液態(tài)電解質(zhì)電池到固體電池似乎不是傳統(tǒng)的設計，但其目標是在能量密度上跨越現(xiàn)有的能力。金屬鋰在液體電池系統(tǒng)中形成“樹突”，影響電池的循環(huán)壽命和安全性。固態(tài)電解質(zhì)本身更安全，機械剛性更強，可以在不影響安全性的情況下增大電池的能量密度。

 許多像Solid Power這樣的公司正在領導固態(tài)電池生產(chǎn)方面的變革。

固體電池技術包括固態(tài)金屬電極和固態(tài)電解質(zhì)。雖然化學成分基本相同，但固態(tài)設計可避免電極處的泄漏和腐蝕，降低火災風險，并降低設計成本，因為無需考慮安全特性問題。 固體電解質(zhì)設計也使“形狀”因素更小，意味著重量更小。最重要的是，固體電池有望克服目前遭受的能量密度限制。人們相信，如果設計得當，使用金屬鋰，理論上能使鋰離子電池技術的容量增加一倍。 金屬鋰的容量是目前鋰離子電池使用標準碳陽極的10倍。

為什么轉(zhuǎn)向固體電池

出于多種原因，這個行業(yè)目前正轉(zhuǎn)向固體電池。 最重要的是，使用液態(tài)電解質(zhì)的標準鋰電池，即使對設計進行微調(diào)以獲得更大的密度，也已突破所使用電極組合的理論極限。 然而，從市場的角度來看，隨著電動汽車在市場上的強勢發(fā)展，不斷增加能量密度是個重要的需求，而能量密度的每次增長，都與汽車的續(xù)航里程和電池壽命的增加成正比。對于更大容量電極的需求，比如固態(tài)鋰金屬，意味著每千克的“Wh”數(shù)可以提高50%到100%。 此外，還有一些輔助的利益，包括用穩(wěn)定的固體材料取代易揮發(fā)和易燃的液態(tài)電解質(zhì)，這種材料不會出現(xiàn)過去看到的“熱失控”問題，即固體鋰離子在化學上更安全。

然而，仍有一些問題需要解決，比如哪種材料效率最高，哪種生產(chǎn)技術產(chǎn)生的最終產(chǎn)品成本最低。目前，能夠在市場上競爭的固體電池僅限于小型電池。 第一個上市的固體電池是薄膜電池。 這些納米電池是由層狀材料組成的，它起電極和電解質(zhì)的作用。薄膜固體電池在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的可充電電池相似，非常薄而且靈活。 除了重量輕、體積小之外，薄膜電池還為更小的電子設備(如起搏器、無線傳感器、智能卡和電子標簽)提供更高的能量密度。

 除了增加電池容量，固體電池有望克服能源密度和尺寸的限制。

除了解決負擔得起和尺寸問題外，固體電池還面臨著技術上的挑戰(zhàn)。 固體電池要更加安全，但仍存在“樹突”問題，即在電池充放電時，在陽極上形成金屬鋰的根狀積聚。 樹突積累，降低了固態(tài)電解質(zhì)的容量，因而減少了儲存的電荷量。

找到合適的分離材料，允許鋰離子在電極之間流動，同時還阻塞樹突，是開發(fā)者面臨的最大挑戰(zhàn)。 根據(jù)最近的一篇論文《固體電池界面的穩(wěn)定性》[2]，研究人員使用了聚合物(廣泛用于液態(tài)電解質(zhì)電池)或硬陶瓷等材料。 聚合物不會阻塞樹枝狀結(jié)構(gòu)，而所用的大多數(shù)陶瓷都很脆，不能持續(xù)多次充電。樹突問題一旦得到解決，固體電池有望為消費者提供某些誘人的性能優(yōu)勢：充電速度更快、能量密度更高、生命周期更長，而且更安全。

正在開發(fā)的另一種方法是“無損陽極”設計。 電池在使用過程放電，鋰從陽極流向陰極;在這種情況下，陽極的厚度減小。 但在電池充電時，過程相反，鋰離子涌回陽極。

另一家公司即美國錫安能源(Sion Power)，已從Li/S轉(zhuǎn)向Licerion牌鋰-金屬專利技術。 據(jù)它們技術信息的說法，Sion Power通過開發(fā)多層面的方法，保護鋰金屬陽極，克服了困擾鋰金屬化學的能量密度(Wh/L)和循環(huán)壽命的歷史問題。 這種方法包含三個級別的保護：柵元內(nèi)的化學保護、物理保護和包級的物理保護。它們使用專利的、受保護的鋰陽極(PLA)技術，通過一種薄而化學穩(wěn)定、離子導電的陶瓷聚合物屏障，做金屬鋰陽極的物理保護。這使得電解液添加劑在電池水平上穩(wěn)定在陽極表面，從而提高循環(huán)壽命和增加能量。包級保護包含專有的柵元壓縮，還有個先進的電池管理系統(tǒng)。

儲能的未來

比賽開始了。 隨著電動汽車銷量飆升，高密度、長壽命和低成本電池的需求，意味著固體電池的競爭環(huán)境變得越來越擁擠。這對這種電池的研究和開發(fā)來說，是好消息，因為這是固體電池迅速進入市場所需要的。目前，一些材料和設計正在探索中，并出現(xiàn)了顯著的進展。

已經(jīng)證明小型電池提供了固體電池需更高的性能，所以大型電池的制造過程也就是個時間問題。 有幾家公司表示，這些電池最早將在明年上市，到2025年才會有更多的電池上市。 就像液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池一樣，一旦制造業(yè)趕上來，將進一步推動技術創(chuàng)新。 這意味著我們很可能會看到材料和設計方法的調(diào)整，從而在未來幾年，推動電池性能的發(fā)展。

資料與注釋：

1 Terry Persun, Advancing Battery Technology for Modern Innovations, ASME, May 18, 2021

2 William D. Richards et al., Interface Stability in Solid-State Batteries, Chem. Mater. 2016, 28, p. 266−273
 
原標題：現(xiàn)代創(chuàng)新推進電池技術