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固態(tài)電池有望證明比傳統(tǒng)電池更安全、更持久。加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們在 9 月 24 日的《科學(xué)》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)，并憑借這一發(fā)現(xiàn)成立了初創(chuàng)公司Unigrid Battery。該公司表示，他們會(huì)在未來五年內(nèi)將固態(tài)電池商業(yè)化，應(yīng)用于電動(dòng)「超級汽車」和電網(wǎng)中。

傳統(tǒng)電池通過兩個(gè)電極（陽極和陰極）之間的化學(xué)反應(yīng)供電，這兩個(gè)電極一般情況下通過液體或凝膠電解質(zhì)相互作用；而固態(tài)電池則改為使用固體電解質(zhì)，比如陶瓷。

在重量或空間相同的情況下，固態(tài)電池可以提供比傳統(tǒng)電池更多的能量。「由于續(xù)航里程是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，因此固態(tài)電池將對電動(dòng)汽車大有裨益，」 Avesta Battery and Energy Engineering (ABEE) 的 CEO 兼創(chuàng)始人 Noshin Omar 說?！競鹘y(tǒng)的鋰離子電池使用易燃易揮發(fā)的有機(jī)液體電解質(zhì)，固態(tài)電池與其相比也安全得多?！?br />
現(xiàn)在，ABEE 正在幫助意大利汽車制造商 Automobili Estrema 開發(fā)一款可在實(shí)際道路上使用的電動(dòng)「Fulminea」，該車將于 2023 年下半年上市。它將配備四個(gè)電動(dòng)機(jī)，總峰值功率為 1.5 兆瓦（2040 馬力），使汽車能夠在 10 秒內(nèi)從 0 加速到 320 公里/小時(shí)；并且配備ABEE 的固態(tài)電池與超級電容器相結(jié)合的混合電池組，預(yù)期續(xù)航里程約為 520 公里。

「目前，我們的固態(tài)電池能量密度約為每公斤 400 瓦時(shí)，大約是市場上商用鋰離子電池一般能量密度的兩倍，」 Omar 說。「我們的目標(biāo)是到 2025 年實(shí)現(xiàn)每公斤 450 瓦時(shí)的能量密度?！?br />
ABEE 提供的電池使用金屬鋰陽極、富鎳陰極和硫化物電解質(zhì)，而電池專家Imecar Elektronik將幫助包裝電池。電池組的預(yù)計(jì)重量將低于 300 公斤，而 Fulminea 的預(yù)計(jì)總整備重量為 1500 公斤。

「我們現(xiàn)在的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的可擴(kuò)展性——優(yōu)化生產(chǎn)過程、電池壽命和充電率，」Omar 說。

此外，該團(tuán)隊(duì)還與電子巨頭 LG 合作開發(fā)了一種新型全固態(tài)硅電池，初步測試表明該電池安全、持久且能量密集。該大學(xué)和LG Energy Solution已就這項(xiàng)工作聯(lián)合提交了專利申請，而 Unigrid Battery 公司已獲得該技術(shù)的許可。

「按照目前的趨勢，我們的目標(biāo)是到 2025 年生產(chǎn)出我們的第一個(gè)商業(yè)相關(guān)產(chǎn)品，并在 2030 年實(shí)現(xiàn)廣泛的市場滲透，」加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師 Zheng Chen 說。

具有高能量密度的固態(tài)電池通常依靠金屬鋰作為陽極。但是，這些組件對電池充電率有限制，并且在充電過程中需要較高的溫度，通常為 60 攝氏度甚至更高。但是，硅陽極可以克服這些限制，在室溫和低溫下實(shí)現(xiàn)更快的充電速率，同時(shí)保持高能量密度。

「金屬鋰通常被認(rèn)為是電池陽極的不二之選。硅的發(fā)現(xiàn)為采用金屬鋰的替代品開辟了廣泛的可能性，」陳說?！复送猓枋且环N資源豐富、成本低且安全的材料。這是一種更環(huán)保的方法?！?br />

加州大學(xué)圣地亞哥分校

1）全固態(tài)電池由正極復(fù)合層、硫化物固體電解質(zhì)層和無碳微硅負(fù)極組成。

2) 在充電之前，離散的微型硅顆粒構(gòu)成了能量密集的陽極。在電池充電過程中，正鋰離子從陰極移動(dòng)到陽極，形成穩(wěn)定的二維界面。


加州大學(xué)圣地亞哥分校

3) 隨著越來越多的鋰離子進(jìn)入陽極，它與微硅反應(yīng)形成相互連接的鋰硅合金 (Li-Si) 顆粒。反應(yīng)繼續(xù)在整個(gè)電極中傳播。

4）反應(yīng)使微硅顆粒膨脹致密化，形成致密的鋰硅合金電極。鋰硅合金和固體電解質(zhì)的機(jī)械性能在保持二維界面的完整性和接觸方面起著至關(guān)重要的作用。

幾十年來，科學(xué)家和電池制造商一直在研究硅作為一種能量密度高的材料，以混合或完全替代傳統(tǒng)鋰離子電池中的石墨陽極。理論上，硅提供的能量密度大約是石墨的 10 倍。

然而，之前將硅添加到鋰離子電池陽極的嘗試遇到了性能問題。具體來說，這種電池在保持性能的同時(shí)進(jìn)行放電和充電的次數(shù)對于商業(yè)用途來說還不夠高。這主要是因?yàn)楣桕枠O在與它們配對的液體電解質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)被降解，并且硅顆粒在充電和放電時(shí)會(huì)大幅膨脹和收縮。

新電池摒棄了液體電解質(zhì)，取而代之的是使用固體硫化物電解質(zhì)。這些電解質(zhì)通常被認(rèn)為是高度不穩(wěn)定的，但這是基于對液體體系的研究而不是考慮固體版本的穩(wěn)定性。新研究發(fā)現(xiàn)，這種電解質(zhì)在全固態(tài)硅陽極電池中非常穩(wěn)定。

「所提出的固態(tài)策略克服了與傳統(tǒng)液體體系相關(guān)的普遍挑戰(zhàn)，」陳說。

科學(xué)家們還去除了陽極上的所有粘合劑以及碳。這顯著減少了他們與固體電解質(zhì)的接觸和不必要的副反應(yīng)，避免了液體電解質(zhì)中常見的連續(xù)能量損失。此外，他們使用微米級硅顆粒，比先前經(jīng)常使用的納米級硅顆粒更便宜。

在實(shí)際測試中，實(shí)驗(yàn)室原型電池在室溫下進(jìn)行了 500 次充放電循環(huán)后容量保持率為 80%，而以前對硅陽極電池的實(shí)驗(yàn)通常只能達(dá)到大約 100 次穩(wěn)定循環(huán)。

新電池保證了在空間方面具有高能量密度。因此，研究人員建議這些設(shè)備最終可以用于網(wǎng)格存儲(chǔ)應(yīng)用?！腹杌虘B(tài)電池解決了與傳統(tǒng)電池用于此類應(yīng)用相關(guān)的成本和安全問題，」陳說。「如果成功，每個(gè)家庭都將配備由這項(xiàng)創(chuàng)新的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而降低水電費(fèi)、作為備用電源以及支持全球能源轉(zhuǎn)型?！?br />
相比之下，電動(dòng)汽車往往需要在重量方面考慮具有高能量密度的電池。不過，「我們不排除汽車應(yīng)用，」陳說。 

原標(biāo)題：硅陽極固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破：將比傳統(tǒng)電池更安全