电池技术现状：锂电池快速发展30年后又转向固态电池

移动设备和电动汽车的进步推动着电池技术不断地获得新的突破，因为只有电池设计方面取得新进展才能满足当今世界的能源需求。

从手持工具到计算机和移动电话，从不间断电源到卫星，电池一直是所有事物的关键设计特征。多年来，电池研究一直在进行，以提高能量密度。在手持设备的兴起期间，人们需要更高的能量密度。电信卫星的增加意味着电池重量是一个因素。每一项技术进步都倾向于将电池功能放在首位。在实验室致力于升级电池技术的同时，电子技术继续以更快的速度发展——需要不断增加的能源和电力。

但直到电动汽车(EV)出现后，制造商才开始认真考虑电池对于提供更大范围、更高可靠性和更低成本的重要性。对于电动汽车市场，尺寸和重量与循环寿命一样重要。被归类为一次（通常用于长期、低功率应用的一次性电池）和二次（可充电）电池已经见证了一项又一项的创新，因为它们试图提供比以往更高的能量密度。

电池的现状

最先进的一次电池技术是基于锂金属、亚硫酰氯(Li-SOCl2)和氧化锰(Li-MnO2)。它们适用于五到二十年的长期应用，包括计量、电子收费、跟踪和物联网(IoT)。用于电信、和铁路应用的可充电电池的主要化学成分是镍基（Ni-Cd、Ni-MH）电池。锂基(Li-ion)电池在消费电子市场占据主导地位，并将其应用扩展到电动汽车(EV)。需要注意的是，电动汽车中使用的锂离子电池数量超过了移动和IT应用的总和。

在手机、平板电脑和笔记本电脑市场增长的推动下，锂离子电池已被推动实现越来越高的能量密度。能量密度与电池可以工作的小时数直接相关。该领域的电池专家不断调整技术以获得更高的密度，包括改变化学成分和修改设计。他们甚至还研究了原材料供应链，认为采购钴作为锂离子设计的添加剂既昂贵又困难。

锂离子电池是当今电池动力和存储的主要来源。照片：帅福得电池

能量密度以瓦时每公斤(Wh/kg)为单位。锂离子设计为市售电池提供高达250-270Wh/kg的最高密度。作为比较，请考虑铅酸电池的功率低于100Wh/kg，镍金属氢化物电池的功率略高于100Wh/kg。除了能量密度，功率密度也是一个重要的考虑因素。功率密度衡量电池可以放电（或充电）的速率与能量密度的关系，能量密度是充电总量的量度。例如，相比之下，大功率电池只需几分钟即可放电。可在数小时内放电的高能电池。电池设计本质上是用能量密度换取功率密度。据固态技术技术经理JoongSunPark介绍，

锂离子电池技术在过去30年中取得了显着进步，但由于材料限制，最好的锂离子电池正接近其性能极限。它们还存在严重的安全问题——例如过热会着火——导致成本增加，因为必须在电池系统中设计安全功能。

当被问及锂离子的替代材料时，Park说：“正在开发替代材料和电池化学以超越锂离子，包括基于锂硫、钠、镁（Li/S、Na、Mg）的设计。一旦商业化，这些在能量密度或成本方面肯定比现有的锂离子电池具有潜在的优势。然而，目前与锂离子电池相比，技术的成熟度仍然较低。因此，需要从可用材料到制造的进一步突破才能与锂离子竞争。”最终，由于目前实际生产和学术研究之间的差距，Li/S电池似乎还没有准备好商业化，但正在认真研究。

Park解释说：“减少碳足迹的努力也推动了太阳能和风能等可持续能源发电以及电池等存储设备的发展。”这暗示了一个事实，即更高的需求导致材料选择、设计和制造工艺的创新。固体聚合物、陶瓷和玻璃电解质等材料使固态电池和新的环保工艺能够消除锂离子电池制造过程中使用的有毒溶剂的使用。

固态电池

尽管当前的行业专注于锂离子，但正在转向固态电池设计。SolidPowerInc.的首席执行官兼联合创始人DougCampbell表示：“锂离子在90年代首次发明并商业化，大体上保持不变。您几乎拥有相同的电极组合，但稍作调整。该行业已经尽可能多地利用技术进行设计。”Solidpower已经对多种类型的材料进行了试验，包括聚合物、氧化物和硫化物。每个都有其优点和缺点。通过他们的研究，他们选择进一步开发硫化物技术。

从液体电解质电池转向固态电池似乎超出了传统设计的范围，但它的目标是超越当前的能量密度能力。金属锂会在液体电池系统中形成枝晶，这会影响循环寿命和电池的安全性。用固态电解质替换高反应性液体电解质，固态电解质本质上更安全，机械上更坚固，可以在不影响安全性的情况下增加电池的能量密度。

SolidPower等公司正在引领固态电池生产。照片：固体电源

固态电池技术结合了固体金属电极和固体电解质。尽管化学性质大体相同，但固态设计避免了电极处的泄漏和腐蚀，从而降低了火灾风险并降低了设计成本，因为它消除了对安全功能的需求。固体电解质设计还允许更小的外形尺寸，这意味着更轻的重量。最重要的是，固态电池有望克服目前正在经历的能量密度限制。据信，如果设计得当，理论上使用金属锂将使锂离子电池技术的容量增加一倍。金属锂的容量是当前锂离子电池中使用的标准碳阳极的10倍。

为什么转向固态电池

由于多种原因，该行业目前正在转向固态电池。最重要的是，采用液体电解质的标准锂电池已经突破了所使用电极组合的理论限制，即使在微调设计以获得更高密度时也是如此。然而，从市场的角度来看，随着电动汽车在市场上的强势发展，人们强烈要求不断增加能量密度——每一次增加都与车辆续航里程和电池寿命的增加成正比。需要更高容量的电极（例如固态锂金属），这意味着每千克瓦特小时有50%到100%的改进。加，

然而，仍有一些问题需要解决，例如哪种材料最有效，哪种生产技术产生的最终产品成本最低。目前，能够在市场上竞争的固态电池仅限于小电池。第一个商用固态电池是薄膜电池。这些纳米尺寸的电池由用作电极和电解质的层状材料组成。薄膜固态电池在结构上类似于传统的可充电电池，但它们非常薄且柔韧。除了重量更轻、尺寸更小之外，薄膜电池还为更小的电子设备（如心脏起搏器、无线传感器、智能卡和RFID标签）提供更高的能量密度。

除了增加电池容量外，固态电池有望克服能量密度和尺寸的限制。照片：固体电源

除了解决可负担性和规模问题外，固态电池还面临技术挑战。固态电池要安全得多，但仍然存在枝晶问题，即随着电池充电和放电而在阳极中的锂金属上发生的根状堆积物。枝晶堆积减少了固体电解质的容量，从而减少了存储的电荷。

找到合适的隔膜材料，允许锂离子在电极之间流动——同时还能阻止枝晶——是开发人员面临的最大挑战。根据最近的固态电池界面稳定性论文研究人员使用了诸如广泛用于液体电解质电池的聚合物或硬质陶瓷等材料。该聚合物不会阻塞枝晶，而且使用的大多数陶瓷都很脆，不能持续多次充电。一旦枝晶问题得到解决，固态电池有望为消费者提供一些诱人的性能优势：更快的充电、更高的能量密度、更长的生命周期和更高的安全性。

另一种正在开发的方法是无阳极设计。当电池在使用过程中放电时，锂会从阳极流向阴极。在这种情况下，阳极的厚度减小。当电池充电并且锂离子涌回阳极时，这个过程会逆转。

另一家公司SionPower已从Li/S转向Licerion锂金属技术。根据他们的技术信息，SionPower通过开发一种多方面的方法来保护锂金属负极，克服了困扰历史锂金属化学的问题——能量密度(Wh/L)和循环寿命。它们包含三个级别的保护：电池内的化学保护、电池内的物理保护和电池组级别的物理保护。他们使用获得专利的、受保护的锂阳极(PLA)技术，其中锂金属阳极受到薄的、化学稳定的、离子导电的陶瓷聚合物屏障的物理保护。这允许电池水平的电解质添加剂稳定阳极表面，从而提高循环寿命并增加能量。

储能的未来

比赛开始了。随着电动汽车销量的飙升，对高密度、长寿命和低成本电池的需求意味着固态电池的竞争格局变得越来越拥挤。这对这些电池的研发来说是个好消息，因为这是将固态电池快速推向市场所需要的。目前，正在探索多种材料和设计并取得重大进展。

由于小型电池已经证明了固态电池所需的更高功能，因此制造过程也适用于大型电池只是时间问题。几家公司建议我们最早将在明年在市场上看到这些电池，有些则是2025年。一旦制造业迎头赶上，就像液态电解质锂离子电池一样，技术创新将推动我们走得更远。这意味着我们可能会看到材料和设计方法的调整，这将在未来几年推动电池功能的发展。