鉅大LARGE | 點擊量：1042次 | 2022年08月31日
固態(tài)電池技術(shù)：或是處理"爆炸"問題的最終方法
面對一群喪尸，與其拳打腳踢，不如扔個Note7。噢，還有iphone7。
為甚么這些手機的鋰離子電池這么不安全?有沒有什么處理辦法?讓鋰離子電池不爆炸的最終處理辦法固態(tài)電池有什么?這種電池離我們還有多遠?
除此之外，筆者還梳理了固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，盤點了四家固態(tài)電池公司。固態(tài)電池終將成為主流電池，這些公司正在路上。
三星不哭，蘋果也爆炸了。
美國科技博客boyGeniusReport的一篇文章今天凌晨曬出，一部蘋果新iphone7仿佛也發(fā)生了爆炸。昵稱為@kroopthesnoop的網(wǎng)友在Reddit論壇貼出的一張照片，他的黑色iphone7破損嚴重，屏幕開裂，邊框有分明燒焦的痕跡。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
蘋果的股價周四開盤應聲下跌。
此前，三星Note7手機在全球已造成近40起爆炸事故。就在九月二十六日下午，又一部國行的Note7發(fā)生爆炸，這是在我國Note7的第四起爆炸事故了。
美國佛羅里達州用戶那桑多納切(NathanDornacher)使用的三星Note7爆炸，他之前在車內(nèi)給Note7充電。車的方向盤、儀表盤等已經(jīng)面目全非。
2016年九月二日下午，三星電子在韓國召開新聞公布會，移動部門總裁高東真對三星Note7電池爆炸事件進行了公開道歉，宣布因電池缺陷問題，三星將停售Note7手機，并召回250萬部Note7。
三星公司可能就此繼續(xù)爆炸門損失近50億美金--作為貢獻韓國GDp超過五分之一的三星，這一次可真是驚動了國本。
六天之后，美國聯(lián)邦管理局(FAA)發(fā)表表明，強烈提議乘客在飛機內(nèi)封閉Note7電源，不要使用或進行充電。接著，美國消費品安全委員會(CpSC)又正式呼吁請消費者停止使用Note7并封閉電源。多米諾骨牌效應開始，多國部門繼續(xù)發(fā)出警示，提醒乘客停止使用Note7，這里面也包括我國民航。
網(wǎng)民把Note7裝飾成恐怖分子，說Note7才是真正的炸彈。
據(jù)三星自己說，Note7是手機鋰離子電池的電池芯出了問題。因為制造工藝失誤，電池的陰極和陽極相接觸，導致電池芯過熱從而引發(fā)爆炸。
爆炸一次不可怕，繼續(xù)爆炸才可怕。這不由得讓人想起同樣由于電池、繼續(xù)起火的特斯拉。
2015年年末，特斯拉還忙著統(tǒng)計去年全球交付總量達到50，580輛的傲人成就的時候，一月一日挪威一輛ModelS充電時猛然起火--所幸車內(nèi)無人。
由于特斯拉使用的動力鋰離子電池是三元鋰離子電池，而三元鋰離子電池燃燒時不能筆直用水或者二氧化碳撲滅，專用的銅粉水造價太高又不常見，所以當時的挪威消防隊員只能用泡沫控制周邊火勢，直到這輛ModelS完全燒毀。
ModelS被燒毀畫面。
傳統(tǒng)鋰離子電池的安全性始終是一柄達摩克利斯之劍，懸在人們的心頭。
為甚么鋰離子電池容易爆炸?
我們先看一下鋰離子電池的解剖圖：
一般的鋰離子電池由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜組成。鋰離子在正負極之間來回奔跑，完成充放電的過程。有了電解質(zhì)，鋰離子才能奔跑。正負極之間用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔開，電池的正負極因此戒備了筆直接觸。
安全隱患就在這個隔膜上。一旦高壓、過熱，隔膜很容易被穿破，導致正負極接觸，造成內(nèi)部短路。據(jù)報道，三星為了提升電池的能量密度、延長續(xù)航能力，采用了更薄的隔膜材料，所以才會事故頻出。
想想看，一輛特斯拉要使用7000多節(jié)18650型號鋰離子電池，只要其中一節(jié)出了問題
7000多節(jié)鋰離子電池節(jié)電池在特斯拉底盤緊密排布。
惟有一個改變才可以徹底處理問題--把液體的電解質(zhì)換成固體的
固態(tài)電解質(zhì)能讓電池正負極永不接觸。即使發(fā)生過熱情況，固態(tài)電解質(zhì)只是熔化成絕緣體，溫度下降后又能恢復成固體，不會分析出氣體和多余的熱量。
倘若一個鋰離子電池，換成固態(tài)電解質(zhì)，它就叫做固態(tài)電池。
人類在固態(tài)電池上探索的道路至今已經(jīng)有六十多年。最先加工出來的固態(tài)電池，不是那種厚厚的、或者圓圓的，而是像一層薄膜相同。
第一個報道產(chǎn)出固態(tài)電池的是日本人。1982年，日本Hitachi公司首先表明自己產(chǎn)出了厚度小于10μm的固態(tài)電池，是一層薄膜。但這塊電池的功率太低，無法驅(qū)動任何電子設(shè)備。
薄膜電池今朝有更成熟的產(chǎn)品了。2008年，美國的InfinitepowerSolutions(IpS)公司推出了一種全固態(tài)薄膜電池。它惟有一個指甲蓋大小、兩張紙厚，15分鐘就能充到90%的電量，可充放電10萬次，使用至少15年。由于是全固態(tài)，這種薄膜電池可以隨意彎折，在-40℃到85℃溫度范圍、甚至水下一千多米都能安全使用。
2015年，InfinitepowerSolutions公司被蘋果收購，開始研究用于可穿戴設(shè)備上的固態(tài)電池?？梢韵胂螅热籼O果手表用上固態(tài)電池，就能處理續(xù)航時間以及體積問題了。
這種薄膜形狀的固態(tài)電池，在微型電子器件市場上使用廣泛。世界范圍內(nèi)，有十幾家公司擁有薄膜電池的專利，除了上面提到的兩家，還有法國bellcore、美國Cymbet、輝能科技、俄羅斯的GSNanotech等。
俄羅斯公司GSNanotech加工的柔性薄膜鋰離子電池。
但薄膜電池加工成本確實太高。它要利用一種叫做氣相沉積的技術(shù)，所用設(shè)備動輒上百萬。倘若將薄膜電池用到手機上，一臺蘋果能賣到100多萬。
另外，因為電極是薄膜，薄膜電池能儲存的能量很少，別說電動汽車了，手機要的電力都供不上。
更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固態(tài)電池。但非薄膜型的電池，目前技術(shù)還不是很靠譜。
瓶頸緊要有兩個：一是固態(tài)電解質(zhì)離子電導率太低，也就是鋰離子在固態(tài)中奔跑得慢，而電池是靠鋰離子在正負極間奔跑來實現(xiàn)充放電的，所以這意味著電池充放電慢。二是固電解質(zhì)和電極接觸得沒有液態(tài)和電極接觸好，導致界面電阻太高，這會顯著降低電池性能。
在非薄膜型的電池里面，有三種材料可作為電解質(zhì)：聚合物、硫化物、氧化物。有不少公司說自己在做以聚合物為電解質(zhì)的電池，但他們做的其實不是聚合物固態(tài)電池，而是凝膠電解質(zhì)，如Sony和三星。凝膠的狀態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，其實根本沒有處理安全性的問題，凝膠電池的能量密度也難以提高。所以三星后來索性放棄了凝膠電解質(zhì)。
其它絕大部分廠商，包括我國新能源科技(ATL)，只是在隔膜上涂一層聚合物將隔膜與正負極粘接在一起。話說，ATL是全球最大的聚合物電池供應商，為三星、蘋果、華為、OppO等公司供貨。
什么時候固態(tài)電池才能夠進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化?
大部分業(yè)界的人樂觀的。業(yè)內(nèi)認為，預計3年內(nèi)能出現(xiàn)性能為現(xiàn)有鋰離子電池2倍多的產(chǎn)品。2013年，美國能源存儲聯(lián)合研究中心(JCESR)則說，5年內(nèi)(2018年)開發(fā)出(相比一般鋰離子電池)能量密度達到5倍、價格降至1/5的蓄電池。
但科研范疇的學者們都偏保守--他們認為畢竟研究生產(chǎn)品跟能形成產(chǎn)業(yè)是兩碼事。2016年上半年，科學院物理研究所研究員李泓博士說：至少要到2020年，中科院物理研究所生產(chǎn)的固態(tài)電池可能試水到商業(yè)化的程度，而真正的全固態(tài)可能要更長時間。
雖然工業(yè)上不可能實現(xiàn)液態(tài)到固態(tài)的飛越，但這不代表產(chǎn)業(yè)界在固態(tài)電池范疇無計可施。峰瑞資本投資人朱祎舟對筆者說，我們可以尋找液態(tài)到固態(tài)的過渡辦法。例如，從麻省理工孵化出來的鋰離子電池公司SolidEnergySystems的電解質(zhì)，就是既有固態(tài)又有液態(tài)：先在金屬鋰電極上傾覆一層固態(tài)電解質(zhì)薄膜，然后加入一種準離子態(tài)阻燃液體。制成的電池跟傳統(tǒng)電池比體積縮小一半，還能供應更多能量。
固態(tài)電池性能好，成本高，就先瞄準對安全性、穩(wěn)定性需求高，又不計成本的行業(yè)。固態(tài)電池的制造過程跟傳統(tǒng)電池的不相同，就要充足利用傳統(tǒng)電池的加工設(shè)備，戒備重建整條加工線，從而降低加工成本。朱祎舟說。
在大容量固態(tài)電池做產(chǎn)業(yè)化的這條路上，日本遠遠走在全世界前列。豐田、日立造船都是固態(tài)電池界的領(lǐng)軍公司。2009年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)啟動了210億日元計劃，舉國之力研究電池，希望能在2030年前開發(fā)出能量密度為現(xiàn)有水平5倍以上的可充電電池。從今朝看來，這個時間可能被大大提前。
韓國也不落后，三星在日本也有個固態(tài)電池研究所--早點研發(fā)出來三星就能換上固態(tài)電池了。
日韓之后，依次是歐洲、美國、我國。
法國已經(jīng)有電動汽車投入使用固態(tài)電池，但他們用的固態(tài)電池中間還是有隔膜的，不是真正意義上的全固態(tài)，而且目前尚無大規(guī)模使用。美國人則惟有技術(shù)，沒有可以量產(chǎn)的產(chǎn)品，這里有創(chuàng)業(yè)公司一大把，比如：Seeo、SolidEnergySystem、Solidpower、QuantumeScape等等。
我國人還處于研究階段，相關(guān)標的有清陶能源、寧德時代新能源科技(CATL)、比亞迪、微宏動力等，研發(fā)進度有快有慢。其中，清陶能源位于江蘇盱眙，由南策文院士團隊組建。同時，南院士擁有我國第一個與全固態(tài)有關(guān)的專利。
筆者盤點了四家開發(fā)固態(tài)電池的公司，其中法國的batScap雖然有投入使用的產(chǎn)品，但不是真正意義上的全固態(tài)電池;其他公司目前還惟有技術(shù)。
batScap
batScap是法國博羅雷(bollore)的子公司，開發(fā)了可以在電動汽車上使用的固態(tài)電池。開發(fā)固態(tài)電池的batScap是博羅雷在能源范疇布局的一個關(guān)鍵。
batScap做的是要加熱的聚合物固態(tài)電池。因為在常溫下聚合物的離子電導率太低，意味著鋰離子在電極間奔跑得慢，充放電也就慢。加熱后，聚合物的離子電導率才能提高。
2011年底開始，博羅雷利用自主開發(fā)的EVbluecar，在法國巴黎及郊外供應汽車共享服務Autolib，即抵達目的地后交換車輛。這種汽車用的就是batScap的固態(tài)電池，規(guī)格是30kWh。目前這種bluecar已有近4000輛，有約900座服務站和4500臺充電器，每天利用次數(shù)1.8萬次。
法國的固態(tài)電池電動汽車正在充電。
然而，電池要加熱才能使用是難以大規(guī)模推廣的。電動汽車可以利用行駛中出現(xiàn)的熱量來維持60~80℃的使用溫度。但停車時，非得要利用電池包內(nèi)部的加熱器來維持溫度，每秒會消耗約200W的電力，跟一個電冰箱差不多。在停車過程中要一直連接充電器。有人做過估算，均勻一年下來，停車時加熱器消耗的電力比行駛時所需的電力還多。
不過，據(jù)一名固態(tài)電池的技術(shù)人員透露，batScap的聚合物固態(tài)電池其實中間也有一層隔膜，根本不是我們所說的全固態(tài)。
Solidpower
美國Solidpower成立于2012年，位于美國肯塔基州的路易斯維爾市，在科羅拉多科技中心擁有650多平方米的廠。創(chuàng)始團隊有不少來自科羅拉多大學博爾德分校(UCb)的教授與副教授。這些教授背景都十分強，比如僅SeheeLee教授一人就有18項相關(guān)專利。
Solidpower拿政府的錢比較多，2013年獲美國能源部資助的346萬美元，科羅拉多州的經(jīng)濟發(fā)展與國際貿(mào)易部門(COEDIT)資助的25萬美元。2014年底又獲美國空軍資助290萬美元。
Solidpower固態(tài)電池的電池能量密度達到了600Wh/kg，是市面上電池容量的兩倍多。
Sakti3
Sakti3是一位來自美國密歇根大學的教授在2007年設(shè)立的風險創(chuàng)業(yè)公司。Sakti在梵文中是力量的意思，3是鋰的原子序數(shù)，連起來就是鋰的力量。這家公司是用蒸鍍的辦法制備無機固態(tài)電解質(zhì)，并且宣稱已能實現(xiàn)高效率量產(chǎn)。
美國密歇根大學教授安瑪莉賽斯特里(AnnMarieSastry)是公司的CEO。
值得一提的是，Sakti32015年獲得家電巨擘戴森公司1500萬美元融資，年底被戴森以9000萬美元收購。2016年九月，戴森宣布投資14億建立電池廠。
Sakti3宣布已制造出能量密度達550Wh/kg的電池，這一能量密度要比一般鋰離子電池的高約莫50%，電池蓄電量是特斯拉今朝使用的鋰離子電池的兩倍。Sakti3對媒體說，他們在其位于密歇根的小型實驗場已制造出這種固態(tài)電池的原型，預計在兩三年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。
然而，業(yè)內(nèi)針對Sakti3的聲音真不少。不少科研人士都認為：Sakti3沒有產(chǎn)品，只是在炒作固態(tài)電池概念。
豐田
2013年時，豐田宣布，計劃在2020年全面實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，其能量將是鋰離子電池的三到四倍，并在接下來幾年使用鋰空氣電池。
許多日企都非常重視離子導電率。離子導電率高，意味著鋰離子在正負極間奔跑得快，充放電的速度就快。而硫化物電解質(zhì)在常溫下的離子導電率與液態(tài)電解質(zhì)相似，所以有許多日本公司在研究硫化物。豐田就是個代表。
依據(jù)豐田2014年公布的專利，他們研發(fā)的全固態(tài)電池，改善固態(tài)電解質(zhì)和電極接觸差的問題，用濕涂工藝來制備中間的電解質(zhì)，讓電解質(zhì)變得很薄，從而減小電池體積。同時豐田放大了電芯尺寸，將電池面積張大了50倍，容量提升了一千倍。
豐田在試驗中將固態(tài)電池用在電動小車上。
據(jù)蘋果一名技術(shù)人員向筆者透露，豐田固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化很可能不會使用上面說的材料，他們公布這項專利也許只是為了誤導產(chǎn)業(yè)界。
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