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电池升级:用固体电解质取代传统液体电解质的电池在研究和早期制造试点中正在取得进展。

时间:2023-09-11   访问量:75

随着世界脱碳,研究人员和业界正在对电池采用全员参与的方法。由于提取锂变得更加昂贵并且伴随着地缘政治挑战,钠离子替代更流行的锂等价物是一种替代方案。

固态电池(SSB)的所有成分(包括传统液体电解质)都是固体,是当今使用的锂离子电池的一种有前景的替代品。固态电池制造商 Factorial Energy 的首席技术官兼联合创始人 Alex Yu 表示:“与传统锂离子电池和替代化学物质相比,固态电池具有许多独特的特性。” “提高安全性、续航里程和能量密度的潜力使固态电池成为许多不同应用的储能解决方案的有吸引力的选择。”

 能量密度系数

SSB 保留了锂,并通过提高电池的能量密度来更好地利用锂。额外的副作用是 SSB 不易燃。

传统电池使用自由流动的液体电解质,用于在阴极和阳极之间传导离子。正极和负极具有特殊的形态,并具有多孔隔膜,可防止两者接触和电池短路。

马里兰大学教授兼马里兰能源创新研究所所长埃里克·沃克斯曼 (Eric Wachsman) 表示,虽然这种化学物质几十年来一直运行良好,但其所能提供的能量密度正达到一个稳定水平。传统石墨阳极的日常锂离子当量上限约为 270 Wh/kg。固态电池可以帮助提高这个数字。SSB 领域的几家初创公司(例如 QuantumSpace)承诺将这一数字提高到 400 Wh/kg 及以上。

这种改进的能量密度的优点是诱人的。“能量密度更高的电池使汽车公司有机会设计更轻的电动汽车,同时也减少了容纳电池组件所需的空间。对于客户来说,这意味着充电站的停靠次数更少,并且可以更自由地在更远的距离内使用车辆。”于说。


固态电池的化学性质

SSB 使用以下几种选择之一取代液体电解质:聚合物、硫化物和氧化物。

聚合物固态电池可以摆脱传统的加工和制造方法,但必须在更高的温度下运行,并从电池本身借用能量。这反过来又降低了他们的效率。

就硫化物而言,固态电池具有高电导率,但在高电压或与锂金属阳极接触时不太稳定。沃克斯曼指出,另一个缺点是,任何暴露于湿气的情况下都会形成不需要的硫化氢气体,因此电池需要更严格的加工条件。

使用氧化物固体的一个显着优点是它们不可燃,因此电池变得不易燃且更稳定。他说,这种稳定性可以实现更高电压的阴极和锂金属阳极,从而提高电池的能量密度。

这些优点具有连锁效应:稳定的化学成分有利于锂金属阳极的使用,它比传统的石墨阳极锂离子电池轻得多。“摆脱多余的重量和体积可以使电池具有更高的能量密度,”瓦克斯曼说。

鉴于不同类别的固体电解质各有其优点和缺点,研究人员有多个领域需要研究和改进。

例如,瓦克斯曼和他的团队正在专注于更薄的电解质和提高电池容量。瓦克斯曼说:“几十年来,大多数固态电池工作都集中在厚电解质上,因为这是在学术实验室中可以制造它的方法。” 然而,如此厚的材料的问题是电阻会增加,并且您可能无法从电池中获得太多容量。

Wachsman 正在使用一种称为流延成型的工艺来制造这些更薄的电解质材料。多孔支撑层提供机械强度并允许将电极材料放置到孔中。最终结果非常薄,约为 10 至 20 微米,与传统电池相同或更好。Wachsman 补充说,净比电阻与 相当,甚至更低。

 制造和商业化

虽然对单边带的研究已显示出希望,但制造方面的尝试也引起了人们的关注。Yu表示,Factial的“准固态”FEST电池将在“与锂离子电池制造工艺基本相似的设备上制造,并进行一些关键修改以适应独特的准固态电池组件”。“这使得我们的技术能够在短期内扩展,因为不需要专有的制造设备,并且设备的组件很容易获得。”

瓦克斯曼警告说,大规模生产可能会带来挑战。“一百万部手机,这是一回事,但一百万辆汽车则完全是另一个水平的制造。制造的可扩展性速度比技术本身的发展速度[是一个更大的挑战],”他补充道。

发展一旦电动汽车实现商业化,固态电池就会出现许多二级市场,包括储能系统等。Yu 表示,与电动汽车并行,eVTOL(电动垂直起降)是固态电池的另一个应用。 

许多汽车公司在推进固态电池技术方面进行了大量投资。2020 年,Quantumscape 从投资者那里筹集了超过 10 亿美元,预计将于 2024 年开始为大众生产 SSB。2021 年,Facility Energy 筹集了 2 亿美元,与梅赛德斯-奔驰、Stellantis 和现代建立合作伙伴关系,共同开发固态电池。电池技术利用行业专业知识和汽车原始设备制造商的观点。

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