鉅大LARGE | 點擊量：860次 | 2022年09月05日
電池技術現(xiàn)狀：鋰電池快速發(fā)展30年后又轉向固態(tài)電池
移動設備和電動汽車的進步推動著電池技術不斷地獲得新的突破，因為只有電池設計方面取得新進展才能滿足當今世界的能源需求。
從手持工具到計算機和移動電話，從不間斷電源到衛(wèi)星，電池一直是所有事物的關鍵設計特征。多年來，電池研究一直在進行，以提高能量密度。在手持設備的興起期間，人們需要更高的能量密度。電信衛(wèi)星的增加意味著電池重量是一個因素。每一項技術進步都傾向于將電池功能放在首位。在實驗室致力于升級電池技術的同時，電子技術繼續(xù)以更快的速度發(fā)展——需要不斷增加的能源和電力。
但直到電動汽車(EV)出現(xiàn)后，制造商才開始認真考慮電池對于提供更大范圍、更高可靠性和更低成本的重要性。對于電動汽車市場，尺寸和重量與循環(huán)壽命一樣重要。被歸類為一次（通常用于長期、低功率應用的一次性電池）和二次（可充電）電池已經(jīng)見證了一項又一項的創(chuàng)新，因為它們試圖提供比以往更高的能量密度。
電池的現(xiàn)狀
最先進的一次電池技術是基于鋰金屬、亞硫酰氯(Li-SOCl2)和氧化錳(Li-MnO2)。它們適用于五到二十年的長期應用，包括計量、電子收費、跟蹤和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。用于電信、和鐵路應用的可充電電池的主要化學成分是鎳基（Ni-Cd、Ni-MH）電池。鋰基(Li-ion)電池在消費電子市場占據(jù)主導地位，并將其應用擴展到電動汽車(EV)。需要注意的是，電動汽車中使用的鋰離子電池數(shù)量超過了移動和IT應用的總和。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在手機、平板電腦和筆記本電腦市場增長的推動下，鋰離子電池已被推動實現(xiàn)越來越高的能量密度。能量密度與電池可以工作的小時數(shù)直接相關。該領域的電池專家不斷調整技術以獲得更高的密度，包括改變化學成分和修改設計。他們甚至還研究了原材料供應鏈，認為采購鈷作為鋰離子設計的添加劑既昂貴又困難。
鋰離子電池是當今電池動力和存儲的主要來源。照片：帥福得電池
能量密度以瓦時每公斤(Wh/kg)為單位。鋰離子設計為市售電池提供高達250-270Wh/kg的最高密度。作為比較，請考慮鉛酸電池的功率低于100Wh/kg，鎳金屬氫化物電池的功率略高于100Wh/kg。除了能量密度，功率密度也是一個重要的考慮因素。功率密度衡量電池可以放電（或充電）的速率與能量密度的關系，能量密度是充電總量的量度。例如，相比之下，大功率電池只需幾分鐘即可放電。可在數(shù)小時內(nèi)放電的高能電池。電池設計本質上是用能量密度換取功率密度。據(jù)固態(tài)技術技術經(jīng)理JoongSunPark介紹，
鋰離子電池技術在過去30年中取得了顯著進步，但由于材料限制，最好的鋰離子電池正接近其性能極限。它們還存在嚴重的安全問題——例如過熱會著火——導致成本增加，因為必須在電池系統(tǒng)中設計安全功能。
當被問及鋰離子的替代材料時，Park說：“正在開發(fā)替代材料和電池化學以超越鋰離子，包括基于鋰硫、鈉、鎂（Li/S、Na、Mg）的設計。一旦商業(yè)化，這些在能量密度或成本方面肯定比現(xiàn)有的鋰離子電池具有潛在的優(yōu)勢。然而，目前與鋰離子電池相比，技術的成熟度仍然較低。因此，需要從可用材料到制造的進一步突破才能與鋰離子競爭?！弊罱K，由于目前實際生產(chǎn)和學術研究之間的差距，Li/S電池似乎還沒有準備好商業(yè)化，但正在認真研究。
Park解釋說：“減少碳足跡的努力也推動了太陽能和風能等可持續(xù)能源發(fā)電以及電池等存儲設備的發(fā)展?！边@暗示了一個事實，即更高的需求導致材料選擇、設計和制造工藝的創(chuàng)新。固體聚合物、陶瓷和玻璃電解質等材料使固態(tài)電池和新的環(huán)保工藝能夠消除鋰離子電池制造過程中使用的有毒溶劑的使用。
固態(tài)電池
盡管當前的行業(yè)專注于鋰離子，但正在轉向固態(tài)電池設計。SolidPowerInc.的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人DougCampbell表示：“鋰離子在90年代首次發(fā)明并商業(yè)化，大體上保持不變。您幾乎擁有相同的電極組合，但稍作調整。該行業(yè)已經(jīng)盡可能多地利用技術進行設計?！盨olidpower已經(jīng)對多種類型的材料進行了試驗，包括聚合物、氧化物和硫化物。每個都有其優(yōu)點和缺點。通過他們的研究，他們選擇進一步開發(fā)硫化物技術。
從液體電解質電池轉向固態(tài)電池似乎超出了傳統(tǒng)設計的范圍，但它的目標是超越當前的能量密度能力。金屬鋰會在液體電池系統(tǒng)中形成枝晶，這會影響循環(huán)壽命和電池的安全性。用固態(tài)電解質替換高反應性液體電解質，固態(tài)電解質本質上更安全，機械上更堅固，可以在不影響安全性的情況下增加電池的能量密度。
SolidPower等公司正在引領固態(tài)電池生產(chǎn)。照片：固體電源
固態(tài)電池技術結合了固體金屬電極和固體電解質。盡管化學性質大體相同，但固態(tài)設計避免了電極處的泄漏和腐蝕，從而降低了火災風險并降低了設計成本，因為它消除了對安全功能的需求。固體電解質設計還允許更小的外形尺寸，這意味著更輕的重量。最重要的是，固態(tài)電池有望克服目前正在經(jīng)歷的能量密度限制。據(jù)信，如果設計得當，理論上使用金屬鋰將使鋰離子電池技術的容量增加一倍。金屬鋰的容量是當前鋰離子電池中使用的標準碳陽極的10倍。
為什么轉向固態(tài)電池
由于多種原因，該行業(yè)目前正在轉向固態(tài)電池。最重要的是，采用液體電解質的標準鋰電池已經(jīng)突破了所使用電極組合的理論限制，即使在微調設計以獲得更高密度時也是如此。然而，從市場的角度來看，隨著電動汽車在市場上的強勢發(fā)展，人們強烈要求不斷增加能量密度——每一次增加都與車輛續(xù)航里程和電池壽命的增加成正比。需要更高容量的電極（例如固態(tài)鋰金屬），這意味著每千克瓦特小時有50%到100%的改進。加，
然而，仍有一些問題需要解決，例如哪種材料最有效，哪種生產(chǎn)技術產(chǎn)生的最終產(chǎn)品成本最低。目前，能夠在市場上競爭的固態(tài)電池僅限于小電池。第一個商用固態(tài)電池是薄膜電池。這些納米尺寸的電池由用作電極和電解質的層狀材料組成。薄膜固態(tài)電池在結構上類似于傳統(tǒng)的可充電電池，但它們非常薄且柔韌。除了重量更輕、尺寸更小之外，薄膜電池還為更小的電子設備（如心臟起搏器、無線傳感器、智能卡和RFID標簽）提供更高的能量密度。
除了增加電池容量外，固態(tài)電池有望克服能量密度和尺寸的限制。照片：固體電源
除了解決可負擔性和規(guī)模問題外，固態(tài)電池還面臨技術挑戰(zhàn)。固態(tài)電池要安全得多，但仍然存在枝晶問題，即隨著電池充電和放電而在陽極中的鋰金屬上發(fā)生的根狀堆積物。枝晶堆積減少了固體電解質的容量，從而減少了存儲的電荷。
找到合適的隔膜材料，允許鋰離子在電極之間流動——同時還能阻止枝晶——是開發(fā)人員面臨的最大挑戰(zhàn)。根據(jù)最近的固態(tài)電池界面穩(wěn)定性論文研究人員使用了諸如廣泛用于液體電解質電池的聚合物或硬質陶瓷等材料。該聚合物不會阻塞枝晶，而且使用的大多數(shù)陶瓷都很脆，不能持續(xù)多次充電。一旦枝晶問題得到解決，固態(tài)電池有望為消費者提供一些誘人的性能優(yōu)勢：更快的充電、更高的能量密度、更長的生命周期和更高的安全性。
另一種正在開發(fā)的方法是無陽極設計。當電池在使用過程中放電時，鋰會從陽極流向陰極。在這種情況下，陽極的厚度減小。當電池充電并且鋰離子涌回陽極時，這個過程會逆轉。
另一家公司SionPower已從Li/S轉向Licerion鋰金屬技術。根據(jù)他們的技術信息，SionPower通過開發(fā)一種多方面的方法來保護鋰金屬負極，克服了困擾歷史鋰金屬化學的問題——能量密度(Wh/L)和循環(huán)壽命。它們包含三個級別的保護：電池內(nèi)的化學保護、電池內(nèi)的物理保護和電池組級別的物理保護。他們使用獲得專利的、受保護的鋰陽極(PLA)技術，其中鋰金屬陽極受到薄的、化學穩(wěn)定的、離子導電的陶瓷聚合物屏障的物理保護。這允許電池水平的電解質添加劑穩(wěn)定陽極表面，從而提高循環(huán)壽命并增加能量。
儲能的未來
比賽開始了。隨著電動汽車銷量的飆升，對高密度、長壽命和低成本電池的需求意味著固態(tài)電池的競爭格局變得越來越擁擠。這對這些電池的研發(fā)來說是個好消息，因為這是將固態(tài)電池快速推向市場所需要的。目前，正在探索多種材料和設計并取得重大進展。
由于小型電池已經(jīng)證明了固態(tài)電池所需的更高功能，因此制造過程也適用于大型電池只是時間問題。幾家公司建議我們最早將在明年在市場上看到這些電池，有些則是2025年。一旦制造業(yè)迎頭趕上，就像液態(tài)電解質鋰離子電池一樣，技術創(chuàng)新將推動我們走得更遠。這意味著我們可能會看到材料和設計方法的調整，這將在未來幾年推動電池功能的發(fā)展。
