近日，美國(guó)航空航天局(NASA)表示其研發(fā)的航空用固態(tài)電池取得了重大突破。

NASA在其官方網(wǎng)站介紹，NASA目前所研發(fā)成功的固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了500Wh/kg，幾乎是目前最好的電動(dòng)汽車(chē)電池能量密度的兩倍——特斯拉公司的4680鋰電池的能量密度約為300Wh/kg。

2021年4月，NASA宣布其改進(jìn)固態(tài)電池充電效率和安全性項(xiàng)目(e Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety，“SABERS”)部門(mén)將為電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)固態(tài)電池，相較于現(xiàn)有的液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池，其具有更高能量密度，電池體積更小，受到?jīng)_擊后能夠繼續(xù)使用，起火風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更低。

(資料圖片)

據(jù)了解，NASA的固態(tài)電池為硫硒電池，其電解質(zhì)材料利用廉價(jià)并易獲得的硫，電池還利用了 NASA 此前研發(fā)的“多孔石墨烯”材料，導(dǎo)電性好，質(zhì)量也較輕。由于固態(tài)鋰電池沒(méi)有液體電解液，因此降低了液體起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

此外，在電池的封裝上，與普通鋰離子電池單個(gè)封裝不同，NASA的固態(tài)電池在單個(gè)外殼內(nèi)將電芯堆疊在一起，這種方法使得電池重量減少了30%-40%。

“SABERS對(duì)電池的新材料進(jìn)行了試驗(yàn)，這些材料在放電方面取得了顯著進(jìn)展。在過(guò)去的一年里，該團(tuán)隊(duì)成功地將電池的放電率提高了10倍，其后又提高了5倍，使研究人員距離為大型車(chē)輛提供動(dòng)力的目標(biāo)更近了一步?！盢ASA在其新聞稿中表示。

據(jù)介紹，電動(dòng)飛機(jī)和NASA的先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)項(xiàng)目將是新電池技術(shù)的主要受益者。

站上風(fēng)口的固態(tài)電池

無(wú)獨(dú)有偶，最近，另外一則關(guān)于固態(tài)電池的消息也引發(fā)了公眾廣泛關(guān)注。

據(jù)國(guó)內(nèi)多家媒體報(bào)道，來(lái)自哈佛大學(xué)的華人教授李鑫與其學(xué)生葉露涵，研發(fā)的新型固態(tài)電池可重復(fù)使用1萬(wàn)次，充電速度最快3分鐘，相較而言，目前最好的固態(tài)電池循環(huán)次數(shù)為2000—3000次。

兩人于2021年5月發(fā)表在《自然》(www.nature.com)雜志上的相關(guān)論文介紹了這種新型固態(tài)電池的原理。研究者在論文中表示，其制備了一種具有界面穩(wěn)定性的多層結(jié)構(gòu)鋰金屬固態(tài)電池，從而實(shí)現(xiàn)了在超高電流密度下穩(wěn)定循環(huán)且抑制枝晶滲透現(xiàn)象。

電池多層設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于將不穩(wěn)定的電解質(zhì)夾在穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)之間，構(gòu)成了“三明治”結(jié)構(gòu)，且通過(guò)在不穩(wěn)定的電解質(zhì)層中實(shí)現(xiàn)裂紋良好的局部分解，抑制了任何鋰枝晶的生長(zhǎng)。

據(jù)上圖所示，從左到右，“三明治”電池結(jié)構(gòu)分布為鋰金屬負(fù)極→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(鎳錳鈷811)正極。石墨介于鋰金屬負(fù)極和第一層固態(tài)電解質(zhì)之間，主要用于隔熱。

據(jù)論文描述，夾在兩邊的第一層固態(tài)電解質(zhì)為L(zhǎng)i5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI)，特點(diǎn)在于對(duì)鋰金屬表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但容易發(fā)生鋰枝晶穿透。它的存在能夠穩(wěn)定鋰金屬和石墨層的主要界面，并降低整體過(guò)電位。

夾在中間的第二層電解質(zhì)為L(zhǎng)i10Ge1P2S12(LGPS)，對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性較差，但不易發(fā)生鋰枝晶穿透。中間的電解質(zhì)可換成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS)，也能獲得類(lèi)似的性能表現(xiàn)。

鋰枝晶可以穿過(guò)石墨和第一層電解質(zhì)，但到達(dá)第二層電解質(zhì)時(shí)被攔截。通常的鋰金屬固態(tài)電池反復(fù)多次充放電，陶瓷顆粒中會(huì)頻繁產(chǎn)生微米或亞微米級(jí)裂紋。裂紋一旦形成，鋰枝晶穿透及短路現(xiàn)象就難以避免?！叭髦巍敝虚g的這層固態(tài)電解質(zhì)，讓鋰枝晶無(wú)法刺穿整個(gè)電池，從而避免了電池正負(fù)極發(fā)生短路甚至起火。

不僅在安全性上得以提升，該技術(shù)以鋰金屬作為負(fù)極，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作為正極構(gòu)成展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。其在1.5C(0.64mAcm-2)和20C(8.6mAcm-2)的放電倍率條件下，循環(huán)2000次和10000次之后，容量保持率達(dá)到81.3%和82%。此外，電池的微米級(jí)正極材料能夠?qū)崿F(xiàn)110.6千瓦/千克的比功率和高達(dá)631.1瓦時(shí)/千克的比能量。

為了進(jìn)一步推進(jìn)對(duì)固態(tài)電池的研究，兩名研究者已經(jīng)成立了一家電池初創(chuàng)公司——Adden Energy ，葉露涵擔(dān)任首席技術(shù)官。據(jù)報(bào)道，今年，Adden Energy融資515萬(wàn)美元(約3570萬(wàn)元人民幣)。

固態(tài)電池上車(chē)有何之難？

放眼全球，固態(tài)電池并不是一個(gè)全新的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池中，鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池完成充放電過(guò)程。固態(tài)電池的原理與之相同，只不過(guò)其電解質(zhì)為固態(tài)。

早在2017年，總部設(shè)在加州安納海姆的美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)公司Fisker發(fā)布了一項(xiàng)固態(tài)電池專(zhuān)利，充電1分鐘，續(xù)航800公里。創(chuàng)始人Henrik Fisker表示，該公司的固態(tài)電池會(huì)在2023年量產(chǎn)，價(jià)格只有傳統(tǒng)鋰電池的三分之一。然而2021年，Henrik Fisker表示，已徹底放棄固態(tài)電池計(jì)劃。

目前，全球范圍內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)動(dòng)力固態(tài)電池商業(yè)化的是法國(guó)博洛雷集團(tuán)(Bollore Group)。2011年10月，博洛雷集團(tuán)開(kāi)始在其自主研發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)“Bluecar”和電動(dòng)巴士“Bluebus”上搭載由BatScap制造的固態(tài)電池，共投入2900輛電動(dòng)車(chē)。但這款固態(tài)電池包的容量只有30KWh，能量密度僅有110Wh/kg。

在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化，從技術(shù)層面來(lái)看，依然存在不小的挑戰(zhàn)。

首先是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率較低，特別是在低溫環(huán)境中。其次是電極—電解質(zhì)的固固界面處的界面電阻大。此外，固態(tài)電池采用的預(yù)鋰化硅碳負(fù)極或未來(lái)的金屬鋰負(fù)極、高鎳正極、固態(tài)電解質(zhì)等新材料，完全顛覆當(dāng)前的液態(tài)鋰電池體系，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于目前對(duì)應(yīng)的材料，降本之路極其艱巨漫長(zhǎng)。

據(jù)了解，目前固態(tài)電解質(zhì)材料有三種主流體系：聚合物，例如將六氟磷酸鋰摻雜到PEO中；氧化物，如鋰鋼鋯氧化物(LLZO)，NASICON等；和硫化物，如LPSX(X=Cl，Br，I)。

這三種材料路線(xiàn)中，聚合物體系的優(yōu)點(diǎn)是高溫離子電導(dǎo)率高，方便加工。但它在室溫下離子電導(dǎo)率極低，制約了其發(fā)展。例如法國(guó)博洛雷牌固態(tài)電池就選用了聚合物體系，為了讓電動(dòng)車(chē)能在室溫下正常工作，博洛雷集團(tuán)特意為每輛車(chē)配載了加熱器，發(fā)動(dòng)前將電池系統(tǒng)升溫至60至80。

而氧化物體系的優(yōu)點(diǎn)是綜合性能佳，但電極之間的界面電阻高于聚合物體系。其中薄膜型產(chǎn)品對(duì)工藝技術(shù)要求苛刻，成本與規(guī)模化生產(chǎn)難度很大。非薄膜型產(chǎn)品是目前最可靠的電動(dòng)汽車(chē)電池解決方案。

硫化物體系的優(yōu)點(diǎn)是離子電導(dǎo)率堪比液態(tài)電解質(zhì)，這也是日韓公司豐田、本田、三星和中國(guó)電池巨頭寧德時(shí)代選擇的技術(shù)路線(xiàn)。但硫化物體系的開(kāi)發(fā)進(jìn)度處于最初級(jí)，生產(chǎn)環(huán)境限制和安全問(wèn)題是最大的阻礙，無(wú)法商業(yè)化量產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)也最高。

盡管難度重重，然而，在追求未來(lái)鋰電池能量密度和安全性的道路上，固態(tài)電池仍然被寄予了厚望。據(jù)了解，目前，全球范圍內(nèi)約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核谥铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)的推進(jìn)。

歐美方面，寶馬集團(tuán)2022年向總部位于美國(guó)科羅拉多州的固態(tài)電池初創(chuàng)公司Solid Power投資了1.3億美元，計(jì)劃2025年前推出搭載固態(tài)電池的原型車(chē)，2030年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

梅賽德斯-奔馳公司今年與美國(guó)馬薩諸塞州固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Factorial Energy達(dá)成了戰(zhàn)略協(xié)議，將對(duì)其投資約10億美元金額支持固態(tài)電池研發(fā)，并于2022年開(kāi)始測(cè)試原型車(chē)，五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)。

大眾集團(tuán)在2018年向位于美國(guó)硅谷的固態(tài)電池初創(chuàng)公司公司QuantumScape注資1億美元，2020年又追加2億美元。今年，大眾集團(tuán)宣布會(huì)在2025年在其電動(dòng)車(chē)輛上使用固態(tài)電池。

日韓方面，豐田公司在2008年就與固態(tài)鋰電池創(chuàng)企伊利卡(Ilika)展開(kāi)了合作，其計(jì)劃在2025年推出采用固態(tài)電池的混合動(dòng)力汽車(chē)。三菱、日產(chǎn)、松下等企業(yè)也都加速了固態(tài)電池布局。據(jù)了解，目前豐田公司擁有固態(tài)電池全球相關(guān)專(zhuān)利1331項(xiàng)，居全球第一，松下272項(xiàng)位居第二。

國(guó)內(nèi)方面，蔚來(lái)汽車(chē)在去年1月9日的Nio Day上發(fā)布鋰能量密度為150Wh/kg的固態(tài)電池，其計(jì)劃2022年第四季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。寧德時(shí)代方面此前表示，公司第一代固態(tài)鋰電池的能量與目前的鋰離子電池大致相同，預(yù)計(jì)2025年推出，第二代固態(tài)電池有望在2030年后推出。除此之外，孚能科技、蜂巢能源、贛鋒鋰業(yè)等國(guó)內(nèi)企業(yè)也都宣布了固態(tài)電池的布局。

標(biāo)簽： 能量密度 電動(dòng)汽車(chē) 初創(chuàng)公司