固態(tài)電池終于走出了實驗室

作為鋰離子電池的替代品，它將助力創(chuàng)造更安全、更環(huán)保的未來。

現(xiàn)在是2030年，你剛剛購買了你的第一輛電動汽車。你之所以下定決心買它，是因為該車采用了固態(tài)電池——你的智能手機和其他科技設備也用了這種高能量密度、超安全的電池。數(shù)以百萬計的司機很快就會加入你的行列，而吸引他們的正是固態(tài)電池更長的續(xù)航、更低的火災風險和更低的成本。

固態(tài)電池

電的發(fā)現(xiàn)改變了世界，催生了無數(shù)發(fā)明，讓我們的生活變得更安全、更健康、更高效，也更愉快。電池則將這一發(fā)現(xiàn)推向了新的高度，它為我們提供了一種儲存電力并為移動設備供電的渠道。

如今，鋰離子電池在電池市場占據(jù)了主導地位，但更安全、容量更大的固態(tài)電池有望成為世界未來的動力，甚至有可能幫助我們避免氣候變化所造成的最嚴重的潛在后果。

為了了解其中的奧秘，讓我們來了解一下電池的發(fā)展歷史、最新的技術突破以及近期這股預示著固態(tài)電池或將很快取代鋰離子電池的趨勢。

固態(tài)電池是個例外

在過去的200年里，科學家使用不同的材料制造電池，從而不斷對電池技術進行創(chuàng)新，但自1799年第一塊電池問世以來，它的基本設計并沒有發(fā)生太大變化。電池通常包括用某種材料制成的陽極、用另一種材料制成的陰極，以及一種液態(tài)或接近液態(tài)的電解質。

固態(tài)電池是最出名的例外。不過，盡管它幾十年來一直被譽為“未來的電池”——它比鋰離子電池更輕、更安全、更強勁、能量密度更高——但其發(fā)展一直受制于高昂的成本、困難的工藝以及容易短路的問題。

然而，經(jīng)過幾十年的研究，固態(tài)電池似乎終于可以兌現(xiàn)自己的承諾——小到最微型的科技設備，大到整座建筑，它都將為之提供動力。

從“小”做起

一些小型固態(tài)電池已經(jīng)在鐘表和醫(yī)療植入物中投入使用，但電子元件制造商東電化（TDK）的一項新突破即將大幅推動這一趨勢。

2024年6月，該公司宣布已開發(fā)出旗下“瓷充”（CeraCharge）固態(tài)電池的新版本，其能量密度達到每升1000瓦時，是現(xiàn)有瓷充款電池的100倍。

東電化尚未透露太多有關制造該電池的專有技術，但表示該電池采用了鋰合金陽極和一種基于氧化物的固態(tài)電解質，這讓它“極為安全”。

由于新款瓷充款電池的儲電量遠遠超過其上一代產(chǎn)品，因此可以讓設備更耐用，而且體積更小。它還可以成為紐扣電池（即“手表電池”）的可充電替代品——盡管紐扣電池能量密度高，但只能一次性使用。

東電化能源單元開發(fā)部主管佐藤洋（Hiroshi Sato）在接受自由思考網(wǎng)（Freethink）采訪時表示：“我們相信，通過將大量的一次性電池替換為可充電電池，可以為減少環(huán)境影響作出貢獻。”

最初，東電化設想將新款瓷充電池用于無線耳機、助聽器和智能手表，但如果該公司能夠解決制造方面的難題，未來它可能會應用于智能手機等更大的設備。

佐藤洋表示：“挑戰(zhàn)在于，隨著電池面積的增加，制造均勻且高密度的結構就會變得困難，從而導致如裂紋和變形等結構性缺陷。”

他繼續(xù)說道：“針對這些挑戰(zhàn)，我們希望首先積累小型電池的生產(chǎn)和實踐經(jīng)驗，然后再探索制造大型電池的可能性。”

上路

與幾十年前相比，如今大多數(shù)電動汽車使用的鋰離子電池更經(jīng)濟實惠、功能更強大，但它們的缺點正在減緩世界從內燃機汽車向電動汽車的轉型。

有些人不愿意購買一輛充電時間長達數(shù)小時、電量卻不一定能支撐長途行駛的汽車。此外，電池起火的風險也讓人望而卻步。

長期以來，對電動汽車而言，固態(tài)電池一直被認為可能是更好的選擇，但迄今為止，尚未有配備固態(tài)電池的電動汽車進入生產(chǎn)線。這一情況可能在不久的將來發(fā)生改變，因為全球各大汽車制造商都在大力投資這項技術。

2023年，豐田宣布與日本能源公司出光興產(chǎn)合作，計劃在2027至2028年開始制造固態(tài)電動汽車電池，隨后將進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。

豐田汽車公司總裁兼首席執(zhí)行官佐藤恒治（Koji Sato）表示：“通過反復試驗，并結合兩家公司的材料技術，我們開發(fā)出了一種具有高性能的抗裂材料。”

與此同時，梅賽德斯-奔馳公司相信，固態(tài)電動汽車電池的續(xù)航里程可能達到鋰離子電池的兩倍。該公司的目標是截至2030年將固態(tài)電池應用于量產(chǎn)車輛。2022年，奔馳與電池開發(fā)商輝能科技合作，研發(fā)適用于電動汽車的固態(tài)電池。

2024年1月，輝能科技開設了全球首家千兆級固態(tài)電池工廠 ，預計將于2027年開始大規(guī)模生產(chǎn)。工廠滿負荷運行時，每年可生產(chǎn)足夠26 000輛電動汽車使用的電池。

輝能科技的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官楊思枏表示：“經(jīng)過17年的不懈努力，輝能科技很高興能向世界展示下一代固態(tài)電池。時機已到。”

更近一些時候，大眾汽車的電池子公司能合（PowerCo）與電池開發(fā)商量子景觀（QuantumScape）達成了一項協(xié)議，允許后者使用該公司的部分固態(tài)鋰金屬電池技術，每年為多達100萬輛電動汽車生產(chǎn)足夠的電池。

這種技術的特點是在陶瓷隔膜的一側使用固態(tài)電解質，另一側則使用液態(tài)電解質。據(jù)量子景觀稱，這種方法有助于避免形成枝晶（一種會導致固態(tài)電池短路的尖刺結構），同時有可能將電動汽車的續(xù)航里程從560公里提升至800公里。

“通過此次合作，我們希望為客戶提供最具可持續(xù)性、最先進的電池單元，”能合公司的首席執(zhí)行官弗蘭克 · 布洛梅（Frank Blome）表示，“多年來，我們一直在合作并測試量子景觀的原型電池，我們期待著將這項未來技術投入量產(chǎn)。”

支撐電網(wǎng)

雖然太陽能和風能是廉價且豐富的能源，但它們也具有不穩(wěn)定性。為了解決這個問題，一些電廠會將多余的太陽能或風能儲存在電池儲能系統(tǒng)（BESS）中，以備陽光不足或風力不足時使用。

目前，鋰離子電池是電池儲能系統(tǒng)的標準選擇，但固態(tài)電池由于安全性更高、使用壽命更長、能量密度更大，可能會是更好的選擇。不過，首先需要解決的是這一尺寸下電池的成本和復雜的制造工藝問題。

蜻蜓能源（Dragonfly Energy）就是試圖解決這個問題的公司之一。2023年，該公司獲得了一項制造技術專利，并表示這項技術將幫助其克服制造供電網(wǎng)儲能使用的固態(tài)電池時所面臨的挑戰(zhàn)。

蜻蜓能源寫道：“這項技術無需大型干燥室，取代了需要大量時間和昂貴重型設備的方法，使制造流程可以在較小的占地面積內高度擴展，并允許在較短的時間內以更低的成本提高產(chǎn)量。”

與此同時，總部位于美國馬里蘭州的電池制造商離子儲存（Ion Storage Solutions）在2024年4月開設了一家工廠 ，生產(chǎn)用于電網(wǎng)儲能、電動汽車及其他應用的固態(tài)電池，電池芯采用陶瓷電解質和鋰金屬陽極。該公司的目標是到2028年將產(chǎn)能擴大到5億瓦時。

“從一開始，我們的目標就是開發(fā)出一種先進的固態(tài)電池，它能提供更強的動力、可靠性和安全性，同時還能進行規(guī)模化生產(chǎn)，”該公司的首席執(zhí)行官瑞奇 · 漢納（Ricky Hanna）表示，“這座新工廠是同類中規(guī)模最大的工廠之一，標志著實現(xiàn)這一愿景的重要一步。”

展望全局

雖然配備固態(tài)電池的電動汽車可能還需要數(shù)年時間才能駛出停車場，而在那之后可能還需要更長的時間，固態(tài)電池才能幫助支撐電網(wǎng)，但這項技術終于走出實驗室、進入了工廠 ，這仍然很鼓舞人心。

與過去的電池設計一樣，第一批投放市場的固態(tài)電池也不太可能是這項技術的最佳版本。

2024年1月，美國哈佛大學的研究人員發(fā)布了一款陽極含硅的固態(tài)電池，可以在10分鐘內完成充電。而就在2024年7月，丹麥的研究人員宣布，他們開發(fā)出了一種由巖石中的礦物質制成的無鋰固態(tài)電池。

丹麥技術大學的研究員穆罕默德 · 霍什卡拉姆（Mohamad Khoshkalam）表示：“我們已經(jīng)證明，可以找到一種固態(tài)電解質材料，它價格低廉、高效、環(huán)保、可擴展，甚至比基于鋰的固態(tài)電解質性能更好。”

只要這項創(chuàng)新繼續(xù)發(fā)展下去，我們似乎注定會迎來一個未來：由各種材料制成的固態(tài)電池會讓我們的科技設備變得更耐用，讓我們的電動汽車開得更遠，讓我們的電網(wǎng)更清潔、更穩(wěn)定。

資料來源 Big Think

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本文作者克里斯汀·豪瑟（Kristin Houser）是一位經(jīng)驗豐富的科學作者，主要關注與生活息息相關的科學技術領域