固态电池技术：哪些接近商业化，还需要多少年？

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随着新一轮的资金投入，Wildcat Discovery Technologies正在积极扩建设备厂，成立电池团队并加倍投入有前途的固态电池研究项目。我们曾向储能专家请求澄清固态电池的过度宣传。 每当《充电》杂志需要更好地了解最新的电池技术的复杂性或电池材料行业的细微差别时，我们首先会咨询Wildcat Discovery Technologies。这批储能科学家具有独特的行业视角，因为他们利用自己专有的高通量的研究平台来帮助其他公司，通过快速开发新材料改进电池。Wildcat在寻找更好的电池材料中占领导地位，该公司的组合化学技术可以比标准实验室快10倍的速度制造和测试原型电池，这一过程非常适合优化材料，似乎有无限的配方可能性。 其结果是，Wildcat不仅了解所有顶尖电池化学组成的深层技术细节，而且对被认为下一代技术的商业化时间线表示有更多期待。 在过去十年中，随着电池技术的发展，Wildcat一直都很忙碌。Wildcat最近完成了一笔超过2千万美金的新一轮投资，在新的设备厂升级实验室，聘请顶尖电池专家，开始R&D平台认证，并将其内部项目扩展到固态电池技术的关键领域。 我们偶然发现在固态电池技术中有许多夸张的新闻稿和令人困惑的术语/概念。所以《充电》近期与Wildcat讨论最新的电池研究，其中包括固态电池的竞争和最高奖项：一个固体电解质电池锂金属阳极。

固态状态目前新能源汽车中使用的大多数电池都是液态电解液，但研究人员正在寻找固体替代品有两个原因： 液体电解液是易燃的，更换它们将大大提高电池的安全性。 使用新型阳极，固体电解质可以获得更高的能量密度。 在媒体上产生很多混乱，因为固态的说法通常用于形容某种当前的可用技术发展的电池（例如，使用石墨阳极的固态电解质）以及在性能上有飞跃提升到理想型电池（例如，在锂金属电池中使用固态电解质）。 随着技术不断推进，石墨阳极固态电池在新能源汽车的应用趋近商业化，而理想型锂金属固态电池仍需要很多年。 Wildcat首席科学家Dee Strand解释说道：“固态电解质在电池应用中并不新鲜，比如微型固态电池可能集成在笔记本电脑的电路板或其他电子应用中。但是，那些微型固态电池不适合大尺寸的汽车电池。” 这些类型的电池大多属于固态标准阳极类别。一些电动汽车制造商声称，一两年后，固态电池将出现在他们的汽车中，这也是事实。这很可能是石墨阳极设计的一些发展。 明确地说，固态石墨阳极电池确实提供了一些很大的优势，包括提高了安全性。然而，能量密度的提高和成本的节省通常是递增的。 真正革命性的进步将在固体电解质电池锂金属阳极准备商业生产。 在媒体上产生很多混乱，因为固态的说法通常用于形容某种当前的可用技术发展的电池以及在性能上有飞跃提升到理想型电池。 付出努力 开发可在新能源汽车应用固态电池不是件易事。固态电解质材料必须具有高离子导电性，这样锂离子才有快速来回移动性；必须具有电极稳定性；需要与阳极和阴极形成良好的界面；可大批量生产。寻找一种结合所有这些特性的固态电解质材料是非常困难的。 2011年，法国运输公司Bolloré推出一款Bluecar，这是一款专为巴黎新能源汽车设计的共享服务。Bluecar采用锂金属聚合物（LMP）电池与固态电解质结合。然而，正如Strand指出，Bluecar在固态新能源汽车电池上并不是必定能成功的事。 Strand说：“他们使用固体聚合物电解质，但是电池必须被加热到60℃才能使电解质工作，而且他们的汽车在车队中使用，所以他们受到很好的控制。” Strand并不了解其他主流汽车制造商在生产汽车使用过固态电池，但是许多公司都在积极探索这项技术。例如，丰田对使用硫化物电解质的固态电池进行研究。在去年10月丰田首席技术顾问Shigeki Terashi告诉Autocar：“我们将生产一款使用固体电池的汽车并在2020年公布，但固态电池的大批量生产将会推迟一些。” Strand说：“硫化物的优势在于它具有高导电性，缺点是阳极或阴极存在稳定性问题，所以必须要有一层保护涂层。从生产商的角度来讲，硫化物也是极具挑战性的，如果硫化物暴露在潮湿环境中会产生有毒气体，因此硫化物产生的一些安全问题需要解决。” 固体电解质的其他材料包括聚合物和陶瓷。然而，那些解决方案没有一个进入到新能源汽车的规模生产，在短期内，固体电解质的其他材料很可能采用某种形式的石墨阳极取代金属锂的阶梯式改进。 Wildcat企业发展副总Jon Jacobs告诉《充电》：“使用传统石墨阳极电池的固态电池的价值主张更加有限，与普通锂离子电池相比，这种电池在能源方面并没有真正带来巨大的改善，但它可能会带来一些安全方面的好处。传统石墨阳极的固态电池可以成为理想型电池的敲门砖，可以用金属锂代替石墨阳极，你将会取得巨大进步。” 锂金属阳极的挑战 金属锂阳极电池具有较高的理论比容量，可高达3860mAh/g（是石墨阳极372mAh/g的10倍）；密度低达0.59g/cm3（石墨阳极的密度是2.26g/cm3，金属锂阳极电池较低）。 Jacobs解释道：“要想在全固态电解质采用金属锂是件非常非常难的事，据我所知，没有人真正接近使用锂阳极和固体电解质电池来满足电动汽车苛刻要求的商业应用。” Strand解释道：“当你有一个锂金属阳极，将锂去掉，然后又一遍一遍地重新镀上，最终得到的不是一个完美的金属锂，你最终得到的只是看起来像是一堆苔藓类型、针状物和有孔隙的东西。” 不需要的生长被称为树突。通过反复的充电和放电循环，这些尖的树枝状结构形成在锂金属的顶部。 “固态电池的价值主张采用传统石墨阳极电池是很局限性的。传统石墨阳极的固态电池可以成为理想型电池的敲门砖，可以用金属锂代替石墨阳极。” Strand继续说道：“这会产生很多问题，然而，使用锂金属和全固体电解质，对于高活性材料来说，你有很大的表面积。你有针状的树突，穿透隔膜，使电池短路，一般来说，你的电池不会持续很长时间。” 锂阳极的挑战，加上固体电解质的挑战，使得通往理想固态电池的道路充满挑战。然而，根据Jacobs的估计，这些问题可能更容易一次解决一个。“这就是为什么研究人员采取两种基本途径来逐步解决这些问题。” 第一种途径是上述的固态电解质和石墨阳极法。 第二种方法是使用锂金属阳极，但要找到稳定的非固体电解质--传统的液体或半固体凝胶。然而，这两种选择都不理想。液体电解质会出现枝晶生长，导致低循环寿命。根据Jacobs的说法，凝胶状电解质会好些，但也仅仅是好一点。 Jacobs还说：“凝胶电解质是一种固态电解质，但实际上混合少量的易挥发的传统液体电解质。然而，当你开始把它放进去的时候，你已经消除了全固态电池的一个优点，那就是安全组件，你可以消除这些不稳定的东西。这种解决方案可能会找到一个有前途的市场，但并不是主流汽车制造商所期待的。” Wildcat的研究 在2019年，Wildcat获得美国能源部（DOE）的资助追求固态电池技术。价值高于122万美金的资助款有助于Wildcat的内部研究项目，由于与合作伙伴合作的项目数年创纪录，Wildcat开始接受那些商业合同。 Strand说：“有了新的资金资助，我们有能力将高产出工具应用于更持久、更大的内部。” Jacobs补充道：“另外，我们还在美国能源部（DOE）的资助上增加大量自有资金，这现在是Wildcat的一项重点项目。对我们来说是一项大型项目。” 根据Strand的说法，Wildcat的内部研究主要包含三大主要方向。其中两大方向都是理想型电池的敲门砖：锂阳极的稳定性，开发固态电解质材料。能源部的拨款，旨在进一步发展固态电池技术，将用于这些努力。 Strand说：“我们正试图解决锂金属阳极的能源和安全问题。同样，我们面临的挑战是如何剥离和电镀锂，而不是以一堆细枝、苔藓和多孔材料告终。为此，我们正在尝试在锂上添加保护层，这样可以将材料固定，通过保护层仍然可以剥离和镀锂。” 关于固态电解质，Wildcat正在采取一种将聚合物与陶瓷相结合的混合方法。 Strand说：“很难找到一种对固态电解质所有性能都合适的材料。这就是我们为什么会选择复合材料的原因，挑选性能最好的聚合物与性能最好的陶瓷结合。” Wildcat的第三种途径是开发高能无钴阴极材料，被称为无序岩盐阴极。

Strand解释道：“我们在阴极材料商取得很多很好的发展，像是在提高阴极导电性或功率性能上。我们现在开始通过了解基本失效机制提高电池循环寿命。” 事实上，Wildcat希望通过这三种途径看到一个有锂阳极和无序岩盐阴极的固态电池。Strand说：“但是我们也相信锂阳极和无序岩盐阴极都具有很好的市场价值。” 新设备，新投资，新员工，新商业模式 Wildcat的研究通过公司的高通量平台或HTP推动。 Wildcat首席执行官Mark Gresser解释道：“我们正在努力解决我们高通量平台的能源和安全问题，这是一个多种不同设备的组合，可以让研究人员从材料合成的最初阶段一直到全电池组装和循环测试。这是一整套由野猫团队自己设计和制造的定制设备。这使得我们的科学家能够以如此独特的方式进行研究。” 2018年，Wildcat更新HTP,与此同时在将更大的设备厂转移到圣地亚哥。新设备厂占地23,000平方英尺，65%的空间容纳HTP的几项改进。 Gresser继续说道：“我们已经有了一个环境干燥的房间和一个电池原型，所以我们现在有能力制作单层电池组和多层结构电池组，这是验证来自我们高通量平台的发现的一个很好的方法。” 很难找到一种对固态电解质所有性能都合适的材料。这就是我们为什么会选择复合材料的原因，挑选性能最好的聚合物与性能最好的陶瓷结合。

改进的HTP还具有更好的自动化性能。Strand补充道：“我们有很多自动化技术，但我们都做了大幅度改进，更重要的是，我们现在可以通过一个集中数据库连接起所有的信息。现在，科学家们可以通过他们的笔记本控制检测设备。他们可以做所有的实验设计，运行设备，完成他们之前做不到的实验。” 扩建设备厂在Wildcat不是一件唯一的新消息。公司近期还吸引了新投资商，其中有总部位于美国堪萨斯州威奇托的美国科氏工业集团 (Koch Industries)

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