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(guó)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(guó)領(lǐng)先的電池制造商開(kāi)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(guó)對(duì)未來(lái)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(duì)這些公告的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)持懷疑態(tài)度。沒(méi)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(lái)的工程和'生產(chǎn)地獄'。

“在這一點(diǎn)上說(shuō)，任何一種電池和任何一個(gè)國(guó)家在電池研發(fā)方面的投資將在未來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位，這是完全不正確的?！猄TEVE W. MARTIN，愛(ài)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)?；a(chǎn)，首先需要在性能、壽命和車輛推進(jìn)的相對(duì)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(zhǎng)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(lái)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(lái)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(guó)電動(dòng)汽車制造商蔚來(lái)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(chǎng)上爭(zhēng)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(shuō)，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(lái)汽車在上海、成都和其他幾個(gè)城市對(duì)蔚來(lái)電動(dòng)汽車進(jìn)行了測(cè)試，微獅電池組一次充電可行駛超過(guò)1000公里。蔚來(lái)汽車表示，計(jì)劃從本月開(kāi)始在其汽車陣容中推出這種新型電池。

但是，中國(guó)政府的慷慨解囊，以及蔚來(lái)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(guò)早地將電動(dòng)汽車推進(jìn)游戲稱為對(duì)中國(guó)有利的誘惑。

艾姆斯的愛(ài)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(shuō)。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(yáng)極，他認(rèn)為固態(tài)電池是未來(lái)，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(guò)渡。然而，他說(shuō)，“在這一點(diǎn)上說(shuō)，任何一個(gè)電池和任何一個(gè)國(guó)家在電池研發(fā)方面的投資將在未來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位，這是完全不正確的。馬丁解釋說(shuō)，“現(xiàn)在有太多不同種類的固態(tài)電池正在開(kāi)發(fā)中，其中沒(méi)有一個(gè)具有明確的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
半固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)

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(lái)。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^(guò)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(shù)突的形成，樹(shù)突是充電過(guò)程中在陽(yáng)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?cè)诙唐趦?nèi)處于優(yōu)勢(shì)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(guò)測(cè)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(kāi)發(fā)半固態(tài)電池。包括寧德時(shí)代、比亞迪在內(nèi)的中國(guó)著名電池制造商，以及國(guó)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(guó)在國(guó)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(guó)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(guó)初創(chuàng)公司QuantumScape表示，其正在開(kāi)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(zhǎng)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(kāi)始將其原型Alpha-2半固態(tài)電池運(yùn)送給制造商進(jìn)行測(cè)試。

豐田是一群不打算對(duì)沖賭注的公司之一。這家汽車制造商無(wú)視反對(duì)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(lè)觀歸因于解決耐久性問(wèn)題的突破。對(duì)于像Solid Power這樣的公司來(lái)說(shuō)，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(kāi)始提供將陶瓷氧化物電解質(zhì)與無(wú)鋰軟陰極（能量密度超過(guò)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(tái)灣桃園開(kāi)設(shè)了世界上第一家千兆級(jí)固態(tài)鋰陶瓷電池工廠，表明了對(duì)其時(shí)間表的信心。