移動設(shè)備和電動汽車的進步推動著電池技術(shù)不斷地獲得新的突破，因為只有電池設(shè)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(guān)鍵設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)的同時，電子技術(shù)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)用的可充電電池的主要化學(xué)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(dǎo)地位，并將其應(yīng)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(yīng)用的總和。

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(guān)。該領(lǐng)域的電池專家不斷調(diào)整技術(shù)以獲得更高的密度，包括改變化學(xué)成分和修改設(shè)計。他們甚至還研究了原材料供應(yīng)鏈，認為采購鈷作為鋰離子設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計本質(zhì)上是用能量密度換取功率密度。據(jù)固態(tài)技術(shù)技術(shù)經(jīng)理JoongSunPark介紹，

鋰離子電池技術(shù)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(dǎo)致成本增加，因為必須在電池系統(tǒng)中設(shè)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(xué)以超越鋰離子，包括基于鋰硫、鈉、鎂（Li/S、Na、Mg）的設(shè)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(shù)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。”最終，由于目前實際生產(chǎn)和學(xué)術(shù)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(fēng)能等可持續(xù)能源發(fā)電以及電池等存儲設(shè)備的發(fā)展。”這暗示了一個事實，即更高的需求導(dǎo)致材料選擇、設(shè)計和制造工藝的創(chuàng)新。固體聚合物、陶瓷和玻璃電解質(zhì)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(zhuǎn)向固態(tài)電池設(shè)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(diào)整。該行業(yè)已經(jīng)盡可能多地利用技術(shù)進行設(shè)計。”Solidpower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(shù)。

從液體電解質(zhì)電池轉(zhuǎn)向固態(tài)電池似乎超出了傳統(tǒng)設(shè)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(zhì)替換高反應(yīng)性液體電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)本質(zhì)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(lǐng)固態(tài)電池生產(chǎn)。照片：固體電源

固態(tài)電池技術(shù)結(jié)合了固體金屬電極和固體電解質(zhì)。盡管化學(xué)性質(zhì)大體相同，但固態(tài)設(shè)計避免了電極處的泄漏和腐蝕，從而降低了火災(zāi)風(fēng)險并降低了設(shè)計成本，因為它消除了對安全功能的需求。固體電解質(zhì)設(shè)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(shè)計得當，理論上使用金屬鋰將使鋰離子電池技術(shù)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(zhuǎn)向固態(tài)電池

由于多種原因，該行業(yè)目前正在轉(zhuǎn)向固態(tài)電池。最重要的是，采用液體電解質(zhì)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(diào)設(shè)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(shù)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(zhì)的層狀材料組成。薄膜固態(tài)電池在結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)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(zhì)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(zhì)電池的聚合物或硬質(zhì)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(shè)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(zhuǎn)。

另一家公司SionPower已從Li/S轉(zhuǎn)向Licerion鋰金屬技術(shù)。根據(jù)他們的技術(shù)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(xué)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(xué)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(shù)，其中鋰金屬陽極受到薄的、化學(xué)穩(wěn)定的、離子導(dǎo)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(zhì)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(shè)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(zhì)鋰離子電池一樣，技術(shù)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(shè)計方法的調(diào)整，這將在未來幾年推動電池功能的發(fā)展。