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為了解決這些問題，研究人員正在改變鋰離子電池的關(guān)鍵特性，使其成為一種全固體，或稱“固態(tài)”的版本。他們用一種薄的固體電解質(zhì)取代中間的液體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)在電壓和溫度范圍都很穩(wěn)定。

削減碳排放的迫切需要，促使了電氣化交通的迅速發(fā)展，并擴(kuò)大了太陽能和風(fēng)能在電網(wǎng)上的部署。如果這些趨勢如預(yù)期的那樣升級，對更好的儲(chǔ)電方法的需求將會(huì)加強(qiáng)。

“我們需要所有我們能得到的策略，來解決氣候變化的威脅。”艾爾莎·奧莉維提（Elsa Olivetti）博士說。她是麻省理工學(xué)院埃斯特與哈羅德·E·埃哲頓材料科學(xué)與工程副教授。

“顯然，大規(guī)模開發(fā)基于電網(wǎng)的存儲(chǔ)技術(shù)至關(guān)重要。但對于移動(dòng)應(yīng)用，尤其是交通，很多研究都集中在改造目前的鋰離子電池，使其更安全、更小，并能根據(jù)其體積和重量存儲(chǔ)更多能量。”她說。

傳統(tǒng)的鋰離子電池在不斷改進(jìn)，但它們?nèi)源嬖谝恍┚窒扌裕糠衷蛟谟谄浣Y(jié)構(gòu)。鋰離子電池由兩個(gè)電極組成，一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，夾在有機(jī)（含碳）液體中。當(dāng)電池充放電時(shí)，鋰的帶電粒子（或離子）通過液體電解質(zhì)從一個(gè)電極傳遞到另一個(gè)電極。

這種設(shè)計(jì)的一個(gè)問題是，在一定的電壓和溫度下，液體電解質(zhì)可能變得不穩(wěn)定并起火。“一般來說，電池在正常使用情況下是安全的，但風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。”凱文·黃（Kevin Huang）博士說。他是奧莉維提研究小組的一名科學(xué)家。 另一個(gè)問題是鋰離子電池不適用于汽車。大而重的電池組會(huì)占用空間，增加車輛的整體重量，降低燃油效率。但事實(shí)證明，要使如今的鋰離子電池體積更小、重量更輕，同時(shí)又能保持其能量密度（即每克重量所能儲(chǔ)存的能量）是很困難的。

為了解決這些問題，研究人員正在改變鋰離子電池的關(guān)鍵特性，使其成為一種全固體，或稱“固態(tài)”的版本。他們用一種薄的固體電解質(zhì)取代中間的液體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)在電壓和溫度范圍都很穩(wěn)定。

使用這種固體電解質(zhì)，他們使用一個(gè)大容量的正極和一個(gè)大容量的鋰金屬負(fù)極，這個(gè)負(fù)極比通常的多孔碳層薄得多。這些變化使整個(gè)電池在保持其能量儲(chǔ)存能力的同時(shí)，有可能大幅縮小體積，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。

“這些特性——增強(qiáng)的安全性和更高的能量密度——可能是潛在固態(tài)電池最常被吹捧的兩個(gè)優(yōu)勢。”黃說。然后他很快澄清說，“所有這些事情都是預(yù)期的、希望的，但不一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。”然而，這種可能性讓許多研究人員爭相尋找能夠?qū)崿F(xiàn)這一承諾的材料和設(shè)計(jì)。

思考實(shí)驗(yàn)室之外的問題

研究人員已經(jīng)提出了許多看起來很有希望的有趣選擇，但是是在實(shí)驗(yàn)室里。而奧莉維提和黃認(rèn)為，考慮到氣候變化挑戰(zhàn)的緊迫性，額外的實(shí)際考慮可能很重要。奧莉維提說，“我們研究人員在實(shí)驗(yàn)室中總是使用一些指標(biāo)來評估可能的材料和工藝。”

例子可能包括儲(chǔ)能容量和充放電速率。在進(jìn)行她認(rèn)為既必要又重要的基礎(chǔ)研究時(shí)，這些指標(biāo)是適當(dāng)?shù)摹?ldquo;但如果目標(biāo)是實(shí)際應(yīng)用，我們建議增加一些指標(biāo)，專門針對快速擴(kuò)大規(guī)模的潛力。”她說。

根據(jù)業(yè)界目前使用鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)，麻省理工學(xué)院的研究人員和他們的同事，加州大學(xué)伯克利分校丹尼爾·M·特勒普杰出工程教授葛布蘭德·西德爾（Gerbrand Ceder），提出了三個(gè)廣泛的問題，可以幫助確定未來擴(kuò)大規(guī)模的潛在限制因素，作為材料選擇的結(jié)果。

首先，在這種電池設(shè)計(jì)下，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，材料可獲得性、供應(yīng)鏈或價(jià)格波動(dòng)是否會(huì)成為一個(gè)問題？（請注意，擴(kuò)大采礦引起的環(huán)境和其他問題不在本研究的范圍之內(nèi)。）第二，用這些材料制造電池是否會(huì)涉及制造過程中可能失敗的困難步驟？第三，確?；谶@些材料的高性能產(chǎn)品所需的制造措施最終會(huì)降低還是提高電池的生產(chǎn)成本？

為了演示他們的方法，奧莉維提、西德爾和黃檢查了一些電解液的化學(xué)成分和電池的結(jié)構(gòu)，這些都是目前研究人員正在進(jìn)行研究的材料。為了選擇他們的例子，他們轉(zhuǎn)向了之前的工作，他們與合作者使用文本和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，來收集資料和文獻(xiàn)中報(bào)道的處理細(xì)節(jié)的信息。從該數(shù)據(jù)庫中，他們選擇了一些經(jīng)常報(bào)告的選項(xiàng)，這些選項(xiàng)代表了一系列可能性。

材料和可獲得性

在無機(jī)固體電解質(zhì)的世界里，主要有兩類物質(zhì)——氧化物（含氧）和硫化物（含硫）。奧莉維提、西德爾和黃在每堂課上都專注于一種有前景的電解質(zhì)，并研究了每一種電解質(zhì)關(guān)注的關(guān)鍵因素。

他們考慮的硫化物是LGPS，它由鋰、鍺、磷和硫組成。基于可獲得性的考慮，他們把重點(diǎn)放在了鍺上，這種元素引起了人們的關(guān)注，部分原因是它通常不是獨(dú)立開采的，它是煤和鋅開采過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。

為了調(diào)查鍺的可獲得性，研究人員研究了過去60年里，在煤和鋅開采期間，每年實(shí)際生產(chǎn)了多少鍺，以及原本可以生產(chǎn)多少。結(jié)果表明，即使是在最近幾年，鍺的產(chǎn)量可能增加100倍?？紤]到這種供應(yīng)潛力，鍺的可獲得性不太可能會(huì)對基于LGPS電解質(zhì)固態(tài)電池的規(guī)模擴(kuò)大產(chǎn)生限制。

研究人員選擇了由鋰、鑭、鋯和氧組成的氧化物L(fēng)LZO，這種情況下看起來不太樂觀。鑭的提取和加工主要集中在中國，可獲得的數(shù)據(jù)有限，因此研究人員沒有試圖分析其可獲得性。其他三種元素非常豐富。然而，在實(shí)踐中，必須加入少量的另一種元素，即摻雜劑，才能使LLZO易于加工。因此，該團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)放在了鉭，最常用的摻雜劑，作為LLZO的主要關(guān)注點(diǎn)。

鉭是錫和鈮開采的副產(chǎn)品。歷史數(shù)據(jù)表明，在錫和鈮的開采過程中，鉭的產(chǎn)量比鍺的產(chǎn)量更接近潛在的最大值。因此，鉭的可獲得性對基于LLZO的電池規(guī)模擴(kuò)大潛力來說是一個(gè)更值得關(guān)注的問題。

但是，知道一種元素在地下的可獲得性并不能解決把它送到制造商那里所需的步驟。因此，研究人員調(diào)查了一個(gè)關(guān)于關(guān)鍵元素供應(yīng)鏈的后續(xù)問題——采礦、加工、精煉、運(yùn)輸?shù)鹊取＜僭O(shè)供應(yīng)充足，供應(yīng)這些材料的供應(yīng)鏈能否迅速擴(kuò)張，以滿足不斷增長的電池需求？

在樣本分析中，他們研究了鍺和鉭的供應(yīng)鏈每年需要增長多少，才能在2030年為預(yù)計(jì)的電動(dòng)汽車車隊(duì)提供電池。舉個(gè)例子，經(jīng)常被引用為2030年目標(biāo)的電動(dòng)汽車車隊(duì)需要生產(chǎn)足夠的電池，以提供總計(jì)100千兆瓦時(shí)的能源。要僅使用LGPS電池實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鍺的供應(yīng)鏈需要每年增長50%，而過去的最高增長率約為7%。如果僅使用LLZO電池，鉭的供應(yīng)鏈將需要增長約30%——遠(yuǎn)高于10%的歷史高點(diǎn)。

這些例子表明，在評估不同固體電解質(zhì)擴(kuò)大規(guī)模的潛力時(shí)，考慮材料的可獲得性和供應(yīng)鏈的擴(kuò)張是十分重要的。黃說：“即使現(xiàn)有材料的數(shù)量不是問題，比如鍺，擴(kuò)大供應(yīng)鏈的所有步驟以匹配未來電動(dòng)汽車的生產(chǎn)，可能需要一個(gè)前所未有的增長速度。”

材料和加工
在評估電池設(shè)計(jì)規(guī)模擴(kuò)大的可能性時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是制造加工的難度，以及它可能會(huì)如何影響成本。制造固態(tài)電池不可避免地涉及許多步驟，任何步驟的失敗都會(huì)增加成功制造的每一個(gè)電池的成本。正如黃解釋的那樣，“你不會(huì)運(yùn)送那些失敗的電池，你要把它們?nèi)拥?。但你仍然要在材料、時(shí)間和加工上花錢。”

作為制造難度的一個(gè)代理，奧莉維提、西德爾和黃在他們的數(shù)據(jù)庫中探索了失敗率對選定的固態(tài)電池設(shè)計(jì)總體成本的影響。在一個(gè)例子中，他們專注于氧化物L(fēng)LZO。LLZO非常脆，在制造過程中涉及的高溫下，用于高性能固態(tài)電池的大薄片很可能會(huì)開裂或翹曲。

為了確定這些失敗對成本的影響，他們模擬了組裝基于LLZO電池的四個(gè)關(guān)鍵加工步驟。在每個(gè)步驟中，他們根據(jù)假設(shè)的產(chǎn)量計(jì)算成本，即成功處理而沒有失敗的產(chǎn)品在總產(chǎn)品中的比例。

LLZO電池的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于他們檢查的其他設(shè)計(jì)；隨著產(chǎn)量的下降，電池每千瓦時(shí)的成本顯著上升。例如，當(dāng)陰極加熱過程中失敗的電池?cái)?shù)量增加5%時(shí)，成本就會(huì)增加約30美元/千瓦時(shí)——考慮到此類電池普遍接受的目標(biāo)成本為100美元/千瓦時(shí)，這是一個(gè)不小的成本變化。顯然，制造困難會(huì)對量產(chǎn)設(shè)計(jì)的可行性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

材料和性能

設(shè)計(jì)全固體電池的主要挑戰(zhàn)之一來自于“接口”——即一個(gè)組件與另一個(gè)組件的接合處。在制造或操作過程中，這些接口處的材料可能會(huì)變得不穩(wěn)定。“原子開始向不該去的地方移動(dòng)，電池性能下降。”黃說。

因此，許多研究都致力于提出在不同的電池設(shè)計(jì)中穩(wěn)定接口的方法。提出的許多方法確實(shí)提高了性能；因此，電池每千瓦時(shí)的成本就降低了。但實(shí)施這樣的解決方案通常需要增加材料和時(shí)間，在量產(chǎn)中增加每千瓦時(shí)的成本。

為了說明這種權(quán)衡，研究人員首先檢測了它們的氧化物L(fēng)LZO。在這里，目標(biāo)是通過在LLZO電解質(zhì)和負(fù)極之間插入一層薄薄的錫來穩(wěn)定接口。他們分析了實(shí)施該解決方案對成本的正面和負(fù)面影響。他們發(fā)現(xiàn)，添加錫隔膜可以增加儲(chǔ)能能力，提高性能，從而降低單位成本（以美元/千瓦時(shí)計(jì)算）。但是錫層的成本超過了節(jié)省的成本，所以最終的成本高于原來的成本。

在另一項(xiàng)分析中，他們研究了一種名為LPSCl的硫化物電解質(zhì)，它由鋰、磷、硫和少許氯組成。在這種情況下，正極加入了電解質(zhì)材料的粒子，這是一種確保鋰離子能夠通過電解質(zhì)到達(dá)另一個(gè)電極的方法。然而，添加的電解質(zhì)粒子與正極中的其他粒子不相容——這是另一個(gè)接口問題。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是添加“粘合劑”，這是另一種材料，使粒子粘在一起。

他們的分析證實(shí)，沒有粘合劑時(shí)性能很差，基于LPSCl的電池成本超過500美元/千瓦時(shí)。添加粘合劑顯著提高了性能，成本降低了近300美元/千瓦時(shí)。在這個(gè)例子中，在制造過程中添加粘合劑的成本非常低，從根本上實(shí)現(xiàn)了通過添加粘合劑降低了所有成本。在這里，解決接口問題的方法以較低的成本獲得了回報(bào)。

研究人員對文獻(xiàn)中報(bào)道的其他有前景的固態(tài)電池進(jìn)行了類似的研究，結(jié)果是一致的：電池材料和工藝的選擇不僅會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室近期的結(jié)果，還會(huì)影響到在滿足未來所需規(guī)模下制造固態(tài)電池的可行性和成本。結(jié)果還表明，同時(shí)考慮所有三個(gè)因素——可獲得性、加工難度和電池性能——是很重要的，因?yàn)榭赡苌婕暗郊w效應(yīng)和權(quán)衡。

奧莉維提對該團(tuán)隊(duì)的方法所能探究的問題范圍感到自豪。但她強(qiáng)調(diào)，這并不意味著要取代在實(shí)驗(yàn)室中指導(dǎo)材料和加工選擇的傳統(tǒng)指標(biāo)。“相反，它是為了補(bǔ)充這些指標(biāo)，同時(shí)也廣泛關(guān)注可能阻礙擴(kuò)大規(guī)模的各種因素”——考慮到清潔能源和氣候變化的“緊迫時(shí)鐘”，這是一個(gè)重要的考慮。

原標(biāo)題：固態(tài)電池量產(chǎn)難題，想說愛你不容易！