美國(guó)國(guó)家航空航天局在固態(tài)電池方面取得重大突破

美國(guó)國(guó)家航空航天局表示，他們?cè)陂_發(fā)航空用固態(tài)電池方面取得了突破。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局的網(wǎng)站，美國(guó)國(guó)家航空宇航局開發(fā)的固態(tài)電池的能量密度已達(dá)到500瓦時(shí)/公斤，幾乎是目前最好的電動(dòng)汽車電池能量密度的兩倍——特斯拉的4680鋰電池的能量密度為300瓦時(shí)/千克。

2021年4月，美國(guó)國(guó)家航空航天局宣布了其提高固態(tài)電池充電效率和安全性的計(jì)劃（e固態(tài)結(jié)構(gòu)電池增強(qiáng)可再充電性和安全性，“SABERS”）。該部門將為電動(dòng)飛機(jī)開發(fā)固態(tài)電池，其能量密度比現(xiàn)有的液體電解質(zhì)鋰離子電池更高，體積更小，可以在撞擊后使用，并且具有較低的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

美國(guó)國(guó)家航空航天局的固態(tài)電池被稱為硒硫電池，它使用廉價(jià)易得的硫作為電解質(zhì)，以及美國(guó)國(guó)家航空宇航局以前開發(fā)的“多孔石墨烯”材料，這種材料導(dǎo)電且重量輕。由于固態(tài)鋰電池沒(méi)有液體電解質(zhì)，它們降低了液體火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

此外，與單個(gè)包裝的鋰離子電池不同，美國(guó)國(guó)家航空航天局的固態(tài)電池將電池堆疊在一個(gè)外殼中，將電池重量減輕了30%至40%。

美國(guó)國(guó)家航空航天局在其新聞稿中表示：“SABERS已經(jīng)試驗(yàn)了新的電池材料，這些材料在放電方面取得了顯著進(jìn)展。在過(guò)去的一年里，該團(tuán)隊(duì)成功地將電池的放電率提高了10倍，此后又提高了5倍，使研究人員更接近為大型車輛提供動(dòng)力的目標(biāo)?！?。據(jù)介紹，電動(dòng)飛機(jī)和美國(guó)國(guó)家航空航天局的先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)計(jì)劃將是新電池技術(shù)的主要受益者。

 

新型固態(tài)電池最多可重復(fù)使用10000次

據(jù)媒體報(bào)道，哈佛大學(xué)中文教授李昕和學(xué)生葉璐涵開發(fā)了一種新型固態(tài)電池，可重復(fù)使用10000次，最快可在三分鐘內(nèi)充電。相比之下，目前最好的固態(tài)電池可運(yùn)行2000至10000次循環(huán)。

兩人于2021年5月發(fā)表的一篇相關(guān)論文描述了新型固態(tài)電池的原理。在這篇論文中，研究人員報(bào)告說(shuō)，他們制造了一種具有界面穩(wěn)定性的多層鋰金屬固態(tài)電池，從而在超高電流密度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，并抑制枝晶滲透。

電池的多層設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是將不穩(wěn)定的電解質(zhì)夾在穩(wěn)定的固體電解質(zhì)之間，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定電解質(zhì)層中裂紋的良好局部分解，抑制任何鋰枝晶的生長(zhǎng)。

 

 

如上圖所示，從左到右，“三明治”電池結(jié)構(gòu)分布為鋰金屬負(fù)極→ 石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→ 單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（鎳錳鈷811）正極。

石墨位于鋰金屬的陽(yáng)極和第一固體電解質(zhì)層之間，主要用于隔熱。如本文所述，第一種兩側(cè)夾入的固體電解質(zhì)是Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），其特征是對(duì)鋰金屬的性能穩(wěn)定，但容易發(fā)生鋰枝晶滲透。它的存在可以穩(wěn)定鋰金屬層和石墨層之間的主要界面，并降低整體過(guò)電位。

夾在中間的第二電解質(zhì)是Li10Ge1P2S12（LGPS），其對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性較差，但不容易穿透鋰枝晶。中間電解質(zhì)可以用Li9.54Si1.74（P0.9Sb0.1）1.44S11.7Cl0.3（LSPS）代替，以獲得類似的性能。

鋰枝晶可以穿過(guò)石墨和第一電解質(zhì)層，但當(dāng)它們到達(dá)第二電解質(zhì)層時(shí)被攔截。鋰金屬固態(tài)電池通常是重復(fù)充放電的，陶瓷顆粒中經(jīng)常出現(xiàn)微米或亞微米裂紋。

一旦形成裂紋，鋰枝晶穿透和短路是不可避免的。夾層中間的固體電解質(zhì)層防止鋰枝晶刺穿整個(gè)電池，防止陽(yáng)極和陰極短路甚至起火。

該技術(shù)不僅提高了安全性，而且以金屬鋰為負(fù)極，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2為正極，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。在1.5C（0.64mAcm-2）和20C（8.6mAcm-2）的放電速率下，2000和10000次循環(huán)后，容量保持率分別達(dá)到81.3%和82%。

此外，該電池的微米級(jí)陰極材料可以實(shí)現(xiàn)110.6kW/kg的比功率和高達(dá)631.1瓦時(shí)/kg的比能量。為了進(jìn)一步推進(jìn)他們對(duì)固態(tài)電池的研究，兩位研究人員成立了一家名為Adden Energy的電池初創(chuàng)公司。據(jù)報(bào)道，Adden Energy今年籌集了515萬(wàn)美元。

 

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)是什么

固態(tài)電池并不是全新的。在傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池中，鋰離子從正極到負(fù)極再到正極，電池完成充電和放電過(guò)程。固態(tài)電池以同樣的方式工作，但使用固體電解質(zhì)。

早在2017年，總部位于加利福尼亞州阿納海姆的美國(guó)電動(dòng)汽車公司Fisker就發(fā)布了一項(xiàng)固態(tài)電池的專利，該電池可以在一分鐘內(nèi)充電，續(xù)航里程為800k。創(chuàng)始人Henrik Fisker表示，該公司的固態(tài)電池可能在2023年前準(zhǔn)備好大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格是傳統(tǒng)鋰離子電池的三分之一。然而，在2021年，Henrik Fisker宣布他已經(jīng)完全放棄了固態(tài)電池計(jì)劃。

目前，全球唯一一家將動(dòng)力固態(tài)電池商業(yè)化的公司是法國(guó)博洛雷集團(tuán)。2011年10月，博洛雷集團(tuán)開始在其自主研發(fā)的電動(dòng)汽車“Bluecar”和電動(dòng)巴士“Bluebus”中安裝BatScap制造的固態(tài)電池。共有2900輛電動(dòng)汽車投入運(yùn)營(yíng)。

但固態(tài)電池組的容量只有30KWh，能量密度為110Wh/kg。在業(yè)內(nèi)看來(lái)，固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化，從技術(shù)層面來(lái)看，仍然存在不小的挑戰(zhàn)。首先是固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低，尤其是在低溫下。其次，電極和電解質(zhì)的固體界面處的界面電阻較高。

 

 

此外，預(yù)鋰化硅碳負(fù)極或未來(lái)的金屬鋰負(fù)極、高鎳正極和固態(tài)電池用固體電解質(zhì)等新材料，完全顛覆了當(dāng)前的液態(tài)鋰電池體系，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于當(dāng)前相應(yīng)的材料，降低成本的道路極為艱辛和漫長(zhǎng)。

固體電解質(zhì)材料主要有三種類型：聚合物，如摻雜到PEO中的六氟磷酸鋰；氧化物，如鋰鋼氧化鋯（LLZO）、NASICON等。硫化物，如LPSX（X=Cl，Br，I）。在這三種材料路線中，聚合物體系具有高溫離子導(dǎo)電性和易于加工的優(yōu)點(diǎn)。然而，它的離子電導(dǎo)率在室溫下非常低，這限制了它的發(fā)展。

例如，法國(guó)的Bolore固態(tài)電池使用聚合物系統(tǒng)。為了讓電動(dòng)車在室溫下工作，博樂(lè)集團(tuán)專門為每輛車配備了加熱器，在啟動(dòng)前將電池系統(tǒng)加熱到60℃至80℃。

氧化物體系的優(yōu)點(diǎn)是綜合性能更好，但電極之間的界面電阻高于聚合物體系。其中，薄膜產(chǎn)品對(duì)工藝要求嚴(yán)格，成本和規(guī)?；a(chǎn)難度很大。非薄膜產(chǎn)品是電動(dòng)汽車最可靠的電池解決方案。

硫化物系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是離子電導(dǎo)率與液體電解質(zhì)相當(dāng)，這是日本和韓國(guó)公司豐田、本田、三星和中國(guó)固態(tài)電池公司CATL選擇的技術(shù)路線。然而，硫化物系統(tǒng)正處于開發(fā)的早期階段，環(huán)境限制和安全問(wèn)題是最大的障礙，不商業(yè)化的風(fēng)險(xiǎn)最高。

然而，盡管存在困難，固態(tài)電池仍有望成為未來(lái)鋰電池能量密度和安全性的關(guān)鍵。目前，全球有50多家制造公司、初創(chuàng)公司和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)正在努力推進(jìn)固態(tài)電池技術(shù)。

在歐洲和美國(guó)，寶馬集團(tuán)于2022年向總部位于科羅拉多州的固態(tài)電池初創(chuàng)公司solid Power投資1.3億美元，目標(biāo)是到2025年推出裝有固態(tài)電池的原型車，并在2030年前大規(guī)模生產(chǎn)。

 

 

梅賽德斯-奔馳今年與總部位于馬薩諸塞州的固態(tài)電池初創(chuàng)公司Factorial Energy達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，將投資約10億美元用于固態(tài)電池研發(fā)。該公司將于2022年開始測(cè)試原型，五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)低批量生產(chǎn)。

2018年，大眾汽車向總部位于硅谷的固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape投資了1億美元，2020年又投資了2億美元。今年，大眾汽車宣布，到2025年，其電動(dòng)汽車將使用固態(tài)電池。

在日本和韓國(guó)，豐田于2008年與固態(tài)鋰離子電池制造商伊利卡合作，計(jì)劃在2025年前推出固態(tài)混合動(dòng)力汽車。三菱、日產(chǎn)和松下也在加速部署固態(tài)電池。據(jù)了解，目前，豐田在全球擁有1331項(xiàng)固態(tài)電池相關(guān)專利，位居世界第一，松下272項(xiàng)位居第二。

在中國(guó)，蔚來(lái)在去年1月9日的Nio Day上宣布了一款鋰能量密度為150Wh/kg的固態(tài)電池，計(jì)劃在2022年第四季度大規(guī)模生產(chǎn)。該公司表示，該公司的第一代固態(tài)鋰離子電池預(yù)計(jì)將于2025年推出，第二代預(yù)計(jì)將在2030年后推出。此外，孚能科技、蜂巢和贛鋒鋰業(yè)等中國(guó)鋰業(yè)百?gòu)?qiáng)企業(yè)也宣布了固態(tài)電池的計(jì)劃。