鉅大LARGE | 點擊量：328次 | 2023年10月25日
新型固態(tài)電池發(fā)展方向明確，從根本上解決電動汽車關(guān)鍵問題
上周，幾家試圖開發(fā)固態(tài)電池的初創(chuàng)企業(yè)和現(xiàn)有的OEM廠商宣布了一些創(chuàng)新，這些創(chuàng)新可以為汽車制造商提供更安全、更便宜的鋰離子電池替代品，從而加速電動汽車的應用。例如，與大眾汽車公司有戰(zhàn)略合作關(guān)系的QuantumScape公司宣布了一種固態(tài)電池的有希望的測試結(jié)果。同時，一家成立6年的名為SolidPower的初創(chuàng)公司透露，它已經(jīng)制造出了一種能正常工作的固態(tài)電池，并正在科羅拉多州的一家試驗工廠生產(chǎn)具有10層堆疊的原型電池。
開發(fā)基于固體電解質(zhì)的下一代鋰電池可以從根本上解決電動汽車（EV）中的一些關(guān)鍵問題：
范圍：大多數(shù)電動汽車的續(xù)航里程為300英里或更短。
充電時間：為當前的電池組充電需要一個多小時，而為裝有固態(tài)電池的電動汽車充電大約需要10分鐘。
電荷損失：電池在十年內(nèi)可能損失近三分之一的容量。
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%
安全性：由于所使用的易燃材料，在電極之間帶鋰離子的常規(guī)液體電解質(zhì)會帶來嚴重的安全風險。
此外，東麗工業(yè)公司還為鋰離子電池創(chuàng)造了一種無孔分離器，可以通過提高鋰金屬陽極的安全性來大幅提高電池容量；豐田公司表示，計劃在2025年將固態(tài)電池技術(shù)應用于其量產(chǎn)車。
讓我們逐一來看看這些進展：
QuantumScape
在一份新聞公告中，加州圣何塞一家成立10年的初創(chuàng)公司QuantumScape提供了該公司固態(tài)電池實驗室測試的技術(shù)結(jié)果。此前，固態(tài)電池在高功率下使用金屬鋰工作，存在壽命短、充電速度慢的問題。但據(jù)QuantumScape公司介紹，其不可燃電池可以在15分鐘內(nèi)充到80%的容量，在800次充電循環(huán)后仍能保持80%以上的容量，而且每升的體積能量密度超過1000瓦時，幾乎是商用鋰離子電池能量密度的兩倍。
QuantumScape的陰極，即正極，由電動汽車電池中常見的鎳錳鈷氧化物組成。然而，它的負極，或陽極，是由純金屬鋰制成的，它是在成品電池充電時就地形成的，而不是在生產(chǎn)電池時形成的（圖1）。
1.所示為QuantumScape的單層固態(tài)鋰金屬電池單元。
該公司的固態(tài)設計進一步提高了能量密度，因為據(jù)說它的陽極上不需要多余的鋰。此前一些固態(tài)電池的嘗試采用了沉積式鋰陽極，這降低了能量密度。
關(guān)鍵的突破是在陰極和陽極之間使用陶瓷分離器來取代傳統(tǒng)電池電池中使用的液體電解液。與該方案中的液體電解液一樣，當電池充放電時，鋰離子從一個端子流向另一個端子。放電時，鋰從陽極流向陰極，陽極側(cè)被壓縮。分離器薄如人發(fā)，是固態(tài)電池的秘籍。它必須作為一種屏障，防止鋰金屬陽極上在充電周期中形成的鋰樹枝狀金屬卷須在電極之間流動并造成短路。
樹枝狀是由于不均勻的化學反應導致負極表面長出枝狀晶體的現(xiàn)象。鋰枝晶沿著微孔薄膜的孔隙形成。消除分離器孔隙可以阻止這種生長，但缺點是大大降低了鋰離子的滲透性。QuantumScape的固態(tài)分離器取代了傳統(tǒng)電池中使用的有機分離器，實現(xiàn)了無陽極結(jié)構(gòu)，零多余的鋰。
在過去，固態(tài)電池的努力依賴于聚合物--液體電解質(zhì)電池的首選分離器材料--或硬質(zhì)陶瓷。不幸的是，聚合物不能阻擋樹枝狀物。而用于實驗性固態(tài)電池的陶瓷已被證明太脆，無法持續(xù)足夠的充電周期。QuantumScape沒有透露其使用的分離器的性質(zhì)，只是說這種材料是現(xiàn)成的。
QuantumScape新近發(fā)布的基于單層電池單元測試的結(jié)果顯示，其固態(tài)分離器能夠在非常高的功率率下工作，能夠在15分鐘內(nèi)充電到80%的容量，比傳統(tǒng)電池能夠提供的速度更快。
測試的電池是大面積的單層袋裝電池，采用目標商業(yè)化的外形尺寸，厚陰極在30°C下以一小時充放電速度運行。這些測試表明，在800次循環(huán)后，保留容量大于80%。
QuantumScape公司推出的薄型電池注定要與其他約100種電池堆疊在一起，形成一副撲克牌大小的完整電池。到目前為止，該公司還沒有測試過完全堆疊的電池。
固體電源
一家名為SolidPower的6歲初創(chuàng)公司也制造出了一種功能性固態(tài)電池。傳統(tǒng)鋰離子電池中的易燃液態(tài)電解質(zhì)被一種專有的硫化物固態(tài)電解質(zhì)所取代。SolidPower已經(jīng)開始在該公司位于科羅拉多州路易斯維爾的一家試驗工廠的連續(xù)卷對卷生產(chǎn)線上生產(chǎn)330Wh/kg、22層全固態(tài)鋰金屬電池（圖2）。該公司的路線圖是到2022年突破400Wh/kg。
2.SolidPower的22層20-Ah全固態(tài)金屬鋰電池與該公司第一代10層2Ah電池的對比。
SolidPower與寶馬現(xiàn)代和福特等多家汽車制造商建立了合作關(guān)系，共同開發(fā)全固態(tài)電池。該公司還得到了三星、VoltaEnergyTechnologies和Solvay等著名投資者的支持。
SolidPower的10層2-Ah袋式電池在接近室溫的情況下表現(xiàn)出穩(wěn)定的早期循環(huán)，而相應的雙層袋式電池已經(jīng)超過了250次穩(wěn)定循環(huán)。在進入正式的汽車認證程序之前，預計會有進一步的進展。
SolidPower已展示了該公司的最新電極成分，該成分將在2021年投入生產(chǎn)，包括：
-10°C操作
在室溫下15分鐘內(nèi)可快速充電50％
隔板厚度低至25微米
該公司預計將在2022年初進入正式的汽車資質(zhì)認證程序，推出更大容量的全固態(tài)電池單元。
東麗工業(yè)
東麗工業(yè)公司開發(fā)了一種鋰離子電池用無孔分離器，通過提高鋰金屬陽極電池的安全性，可大幅提高容量。東麗利用高耐熱性芳綸聚合物分子設計技術(shù)，解決了充電過程中鋰金屬表面形成樹枝狀物的難題--穿透分離器，造成短路，使安全性下降。因此，該公司能夠在保持離子導電性的同時，抑制鋰金屬陽極電池的樹枝狀形成。該公司通過將聚合物作為無孔分離器，在微孔分離器上設置無孔層，實現(xiàn)了這一目的。
東麗公司的研究表明，采用這種分離器的電池可以抑制因樹枝狀物引起的短路，并在100次充放電循環(huán)后保持80%以上的容量。該公司還表示，將加快研發(fā)速度，迅速確立鋰金屬陽極電池的技術(shù)，以推動未來鋰離子電池的超高容量和安全性。
豐田
豐田公司正在開發(fā)一種固態(tài)電池，該公司官員稱，這種電池一次充電就能行駛500公里，并在10分鐘內(nèi)從零到滿電。而且該電池將做到安全問題最小化。豐田計劃在今年的東京奧運會上推出其固態(tài)電池，然后因為疫情而推遲了時間
豐田還計劃在2020年代初成為第一家銷售配備固態(tài)電池的電動汽車的公司。這家全球最大的汽車制造商預計將在明年推出一款原型車。
