固態電池技術：哪些接近商業化，還需要多少年？

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隨著新一輪的資金投入，Wildcat Discovery Technologies正在積極擴建裝置廠，成立電池團隊並加倍投入有前途的固態電池研究專案。我們曾向儲能專家請求澄清固態電池的過度宣傳。 每當《充電》雜誌需要更好地瞭解最新的電池技術的複雜性或電池材料行業的細微差別時，我們首先會諮詢Wildcat Discovery Technologies。這批儲能科學傢俱有獨特的行業視角，因為他們利用自己專有的高通量的研究平臺來幫助其他公司，透過快速開發新材料改進電池。Wildcat在尋找更好的電池材料中佔領導地位，該公司的組合化學技術可以比標準實驗室快10倍的速度製造和測試原型電池，這一過程非常適合最佳化材料，似乎有無限的配方可能性。 其結果是，Wildcat不僅瞭解所有頂尖電池化學組成的深層技術細節，而且對被認為下一代技術的商業化時間線表示有更多期待。 在過去十年中，隨著電池技術的發展，Wildcat一直都很忙碌。Wildcat最近完成了一筆超過2千萬美金的新一輪投資，在新的裝置廠升級實驗室，聘請頂尖電池專家，開始R&D平臺認證，並將其內部專案擴充套件到固態電池技術的關鍵領域。 我們偶然發現在固態電池技術中有許多誇張的新聞稿和令人困惑的術語/概念。所以《充電》近期與Wildcat討論最新的電池研究，其中包括固態電池的競爭和最高獎項：一個固體電解質電池鋰金屬陽極。

固態狀態目前新能源汽車中使用的大多數電池都是液態電解液，但研究人員正在尋找固體替代品有兩個原因： 液體電解液是易燃的，更換它們將大大提高電池的安全性。 使用新型陽極，固體電解質可以獲得更高的能量密度。 在媒體上產生很多混亂，因為固態的說法通常用於形容某種當前的可用技術發展的電池（例如，使用石墨陽極的固態電解質）以及在效能上有飛躍提升到理想型電池（例如，在鋰金屬電池中使用固態電解質）。 隨著技術不斷推進，石墨陽極固態電池在新能源汽車的應用趨近商業化，而理想型鋰金屬固態電池仍需要很多年。 Wildcat首席科學家Dee Strand解釋說道：“固態電解質在電池應用中並不新鮮，比如微型固態電池可能整合在膝上型電腦的電路板或其他電子應用中。但是，那些微型固態電池不適合大尺寸的汽車電池。” 這些型別的電池大多屬於固態標準陽極類別。一些電動汽車製造商聲稱，一兩年後，固態電池將出現在他們的汽車中，這也是事實。這很可能是石墨陽極設計的一些發展。 明確地說，固態石墨陽極電池確實提供了一些很大的優勢，包括提高了安全性。然而，能量密度的提高和成本的節省通常是遞增的。 真正革命性的進步將在固體電解質電池鋰金屬陽極準備商業生產。 在媒體上產生很多混亂，因為固態的說法通常用於形容某種當前的可用技術發展的電池以及在效能上有飛躍提升到理想型電池。 付出努力 開發可在新能源汽車應用固態電池不是件易事。固態電解質材料必須具有高離子導電性，這樣鋰離子才有快速來回移動性；必須具有電極穩定性；需要與陽極和陰極形成良好的介面；可大批次生產。尋找一種結合所有這些特性的固態電解質材料是非常困難的。 2011年，法國運輸公司Bolloré推出一款Bluecar，這是一款專為巴黎新能源汽車設計的共享服務。Bluecar採用鋰金屬聚合物（LMP）電池與固態電解質結合。然而，正如Strand指出，Bluecar在固態新能源汽車電池上並不是必定能成功的事。 Strand說：“他們使用固體聚合物電解質，但是電池必須被加熱到60℃才能使電解質工作，而且他們的汽車在車隊中使用，所以他們受到很好的控制。” Strand並不瞭解其他主流汽車製造商在生產汽車使用過固態電池，但是許多公司都在積極探索這項技術。例如，豐田對使用硫化物電解質的固態電池進行研究。在去年10月豐田首席技術顧問Shigeki Terashi告訴Autocar：“我們將生產一款使用固體電池的汽車並在2020年公佈，但固態電池的大批次生產將會推遲一些。” Strand說：“硫化物的優勢在於它具有高導電性，缺點是陽極或陰極存在穩定性問題，所以必須要有一層保護塗層。從生產商的角度來講，硫化物也是極具挑戰性的，如果硫化物暴露在潮溼環境中會產生有毒氣體，因此硫化物產生的一些安全問題需要解決。” 固體電解質的其他材料包括聚合物和陶瓷。然而，那些解決方案沒有一個進入到新能源汽車的規模生產，在短期內，固體電解質的其他材料很可能採用某種形式的石墨陽極取代金屬鋰的階梯式改進。 Wildcat企業發展副總Jon Jacobs告訴《充電》：“使用傳統石墨陽極電池的固態電池的價值主張更加有限，與普通鋰離子電池相比，這種電池在能源方面並沒有真正帶來巨大的改善，但它可能會帶來一些安全方面的好處。傳統石墨陽極的固態電池可以成為理想型電池的敲門磚，可以用金屬鋰代替石墨陽極，你將會取得巨大進步。” 鋰金屬陽極的挑戰 金屬鋰陽極電池具有較高的理論比容量，可高達3860mAh/g（是石墨陽極372mAh/g的10倍）；密度低達0.59g/cm3（石墨陽極的密度是2.26g/cm3，金屬鋰陽極電池較低）。 Jacobs解釋道：“要想在全固態電解質採用金屬鋰是件非常非常難的事，據我所知，沒有人真正接近使用鋰陽極和固體電解質電池來滿足電動汽車苛刻要求的商業應用。” Strand解釋道：“當你有一個鋰金屬陽極，將鋰去掉，然後又一遍一遍地重新鍍上，最終得到的不是一個完美的金屬鋰，你最終得到的只是看起來像是一堆苔蘚型別、針狀物和有孔隙的東西。” 不需要的生長被稱為樹突。透過反覆的充電和放電迴圈，這些尖的樹枝狀結構形成在鋰金屬的頂部。 “固態電池的價值主張採用傳統石墨陽極電池是很侷限性的。傳統石墨陽極的固態電池可以成為理想型電池的敲門磚，可以用金屬鋰代替石墨陽極。” Strand繼續說道：“這會產生很多問題，然而，使用鋰金屬和全固體電解質，對於高活性材料來說，你有很大的表面積。你有針狀的樹突，穿透隔膜，使電池短路，一般來說，你的電池不會持續很長時間。” 鋰陽極的挑戰，加上固體電解質的挑戰，使得通往理想固態電池的道路充滿挑戰。然而，根據Jacobs的估計，這些問題可能更容易一次解決一個。“這就是為什麼研究人員採取兩種基本途徑來逐步解決這些問題。” 第一種途徑是上述的固態電解質和石墨陽極法。 第二種方法是使用鋰金屬陽極，但要找到穩定的非固體電解質--傳統的液體或半固體凝膠。然而，這兩種選擇都不理想。液體電解質會出現枝晶生長，導致低迴圈壽命。根據Jacobs的說法，凝膠狀電解質會好些，但也僅僅是好一點。 Jacobs還說：“凝膠電解質是一種固態電解質，但實際上混合少量的易揮發的傳統液體電解質。然而，當你開始把它放進去的時候，你已經消除了全固態電池的一個優點，那就是安全元件，你可以消除這些不穩定的東西。這種解決方案可能會找到一個有前途的市場，但並不是主流汽車製造商所期待的。” Wildcat的研究 在2019年，Wildcat獲得美國能源部（DOE）的資助追求固態電池技術。價值高於122萬美金的資助款有助於Wildcat的內部研究專案，由於與合作伙伴合作的專案數年創紀錄，Wildcat開始接受那些商業合同。 Strand說：“有了新的資金資助，我們有能力將高產出工具應用於更持久、更大的內部。” Jacobs補充道：“另外，我們還在美國能源部（DOE）的資助上增加大量自有資金，這現在是Wildcat的一項重點專案。對我們來說是一項大型專案。” 根據Strand的說法，Wildcat的內部研究主要包含三大主要方向。其中兩大方向都是理想型電池的敲門磚：鋰陽極的穩定性，開發固態電解質材料。能源部的撥款，旨在進一步發展固態電池技術，將用於這些努力。 Strand說：“我們正試圖解決鋰金屬陽極的能源和安全問題。同樣，我們面臨的挑戰是如何剝離和電鍍鋰，而不是以一堆細枝、苔蘚和多孔材料告終。為此，我們正在嘗試在鋰上新增保護層，這樣可以將材料固定，透過保護層仍然可以剝離和鍍鋰。” 關於固態電解質，Wildcat正在採取一種將聚合物與陶瓷相結合的混合方法。 Strand說：“很難找到一種對固態電解質所有效能都合適的材料。這就是我們為什麼會選擇複合材料的原因，挑選效能最好的聚合物與效能最好的陶瓷結合。” Wildcat的第三種途徑是開發高能無鈷陰極材料，被稱為無序岩鹽陰極。

Strand解釋道：“我們在陰極材料商取得很多很好的發展，像是在提高陰極導電性或功率效能上。我們現在開始通過了解基本失效機制提高電池迴圈壽命。” 事實上，Wildcat希望透過這三種途徑看到一個有鋰陽極和無序岩鹽陰極的固態電池。Strand說：“但是我們也相信鋰陽極和無序岩鹽陰極都具有很好的市場價值。” 新裝置，新投資，新員工，新商業模式 Wildcat的研究透過公司的高通量平臺或HTP推動。 Wildcat執行長Mark Gresser解釋道：“我們正在努力解決我們高通量平臺的能源和安全問題，這是一個多種不同裝置的組合，可以讓研究人員從材料合成的最初階段一直到全電池組裝和迴圈測試。這是一整套由野貓團隊自己設計和製造的定製裝置。這使得我們的科學家能夠以如此獨特的方式進行研究。” 2018年，Wildcat更新HTP,與此同時在將更大的裝置廠轉移到聖地亞哥。新裝置廠佔地23,000平方英尺，65%的空間容納HTP的幾項改進。 Gresser繼續說道：“我們已經有了一個環境乾燥的房間和一個電池原型，所以我們現在有能力製作單層電池組和多層結構電池組，這是驗證來自我們高通量平臺的發現的一個很好的方法。” 很難找到一種對固態電解質所有效能都合適的材料。這就是我們為什麼會選擇複合材料的原因，挑選效能最好的聚合物與效能最好的陶瓷結合。

改進的HTP還具有更好的自動化效能。Strand補充道：“我們有很多自動化技術，但我們都做了大幅度改進，更重要的是，我們現在可以透過一個集中資料庫連線起所有的資訊。現在，科學家們可以透過他們的筆記本控制檢測裝置。他們可以做所有的實驗設計，執行裝置，完成他們之前做不到的實驗。” 擴建裝置廠在Wildcat不是一件唯一的新訊息。公司近期還吸引了新投資商，其中有總部位於美國堪薩斯州威奇托的美國科氏工業集團 (Koch Industries)

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