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，中國宣布將向一項基金注資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)，而不是當今絕大多數電動(dòng)汽車(chē) （EV） 電池中的液態(tài)鋰鹽。它們備受期待，因為它們的能量密度是帶有液體電解質(zhì)的電池的三到四倍，在其生命周期內提供更多的充放電循環(huán)，并且更不容易受到偶爾導致鋰電池著(zhù)火的熱失控反應的影響。

但中國對未來(lái)電池的投資不太可能加快大規模生產(chǎn)和在量產(chǎn)車(chē)上使用的時(shí)間表。正如IEEE Spectrum在1月份指出的那樣，在短期內在量產(chǎn)車(chē)中尋找固態(tài)電池是不現實(shí)的。Spectrum當時(shí)咨詢(xún)的專(zhuān)家“注意到對這些公告的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)持懷疑態(tài)度。沒(méi)有人能孤立出地平線(xiàn)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)國家在電池研發(fā)方面的投資將在未來(lái)占據主導地位，這是完全不正確的?！猄TEVE W. MARTIN，愛(ài)荷華州立大學(xué)

要實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)固態(tài)電池的規?；a(chǎn)，首先需要在性能、壽命和車(chē)輛推進(jìn)的相對成本方面驗證現有的固態(tài)電池技術(shù)，這些技術(shù)現在正用于其他要求較低的應用。研究人員仍然必須確定這些電池如何隨著(zhù)年齡的增長(cháng)而吸收和保持電荷并提供電力。他們還需要提供證據，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)，當全世界都在等待固體電解質(zhì)將液體推到一邊時(shí)，中國電動(dòng)汽車(chē)制造商蔚來(lái)汽車(chē)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(zhù)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(chē)在上海、成都和其他幾個(gè)城市對蔚來(lái)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了測試，微獅電池組一次充電可行駛超過(guò)1000公里。蔚來(lái)汽車(chē)表示，計劃從本月開(kāi)始在其汽車(chē)陣容中推出這種新型電池。

但是，中國政府的慷慨解囊，以及蔚來(lái)汽車(chē)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(chē)，這不應該成為過(guò)早地將電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)游戲稱(chēng)為對中國有利的誘惑。

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)國家在電池研發(fā)方面的投資將在未來(lái)占據主導地位，這是完全不正確的。馬丁解釋說(shuō)，“現在有太多不同種類(lèi)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。
半固態(tài)電池的優(yōu)勢

使半固態(tài)電池優(yōu)于傳統電池的主要創(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率。增強離子從電池一側到另一側的傳輸，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，因為該過(guò)程比在帶有液體電解質(zhì)的電池中發(fā)生得更快。凝膠的結構還可以抵抗樹(shù)突的形成，樹(shù)突是充電過(guò)程中在陽(yáng)極上形成的針狀結構并導致短路。此外，凝膠的揮發(fā)性低于液體電解質(zhì)，因此不易著(zhù)火。

雖然半固態(tài)電池無(wú)法達到固體電解質(zhì)電池的預期能量密度和壽命，但它們在短期內處于優(yōu)勢地位，因為它們可以在傳統的鋰離子電池生產(chǎn)線(xiàn)上制造。同樣重要的是，它們已經(jīng)過(guò)測試，現在可以使用，而不是在某個(gè)未知的日期。

半固態(tài)電池可以在傳統的鋰離子電池生產(chǎn)線(xiàn)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、比亞迪在內的中國著(zhù)名電池制造商，以及國有汽車(chē)制造商一汽集團和上汽集團，與微獅一樣，都是中國在國內推進(jìn)下一代電池技術(shù)計劃的受益者。另外，2009年在中國贛州成立的初創(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，其電池消除了傳統鋰離子電池中出現的充電瓶頸，其中鋰必須擴散到碳顆粒中。因此，QuantumScape 的先進(jìn)電池將允許在 15 分鐘內將 10% 的電量從 10% 快速充電到 80%。這還有很長(cháng)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)電池運送給制造商進(jìn)行測試。

豐田是一群不打算對沖賭注的公司之一。這家汽車(chē)制造商無(wú)視反對者，計劃到2027年將固態(tài)電池商業(yè)化，據稱(chēng)這將使電動(dòng)汽車(chē)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(guān)歸因于解決耐久性問(wèn)題的突破。對于像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(zhuān)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(chē)制造商福特和寶馬合作。ProLogium Technology也在為固態(tài)電池的推出做準備，該公司聲稱(chēng)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)候在臺灣桃園開(kāi)設了世界上第一家千兆級固態(tài)鋰陶瓷電池工廠(chǎng)，表明了對其時(shí)間表的信心。