美國科技作家特里·珀森(Terry Persun)五月中旬在ASME網站發表文章說，電動汽車革命的焦點已轉向電池技術[1]。電動汽車的興起讓人們開始關注鋰離子電池的局限性。固體電池和替代鋰離子電池材料正引起人們的興趣。

移動設備和電動汽車的發展，已將電池技術推向極限。電池設計的新進展需要滿足當今的能源需求。

從手持工具到電腦和手機，從不間斷電源到衛星，電池一直都是個重要的設計特征。 多年來，電池研究一直在增加能量密度(給定大小和重量下能源的量值)。從工業測量工具到移動電話，手持設備的興起帶來了更大能量密度的需求。 通信衛星的增大，意味著電池的重量是個因素。 每項技術進步都傾向于把電池性能放在首位。在實驗室致力于電池技術升級的同時，電子技術繼續以更快的速度發展，需要的能量和功率也在不斷增大。

但直到電動汽車(EV)問世，制造商才開始認真考慮電池的重要性，以提供更大的續航里程、更高的可靠性和更低的成本。對于電動汽車市場來說，尺寸和重量與循環壽命一樣重要。 電池分為主電池(通常是一次性的，用于長期、低功率的應用)和二次電池(可充電的)，已經看到它們一個又一個的創新，因為試圖提供比以前更高的能量密度。

當前電池的狀態

今天，最先進的一次性電池技術是以金屬鋰、亞硫酰氯(Li-SOCl2)和氧化錳(Li-MnO2)為基礎的。 適用于5～20年的長期應用，包括計量、電子收費、跟蹤、物聯網等。用于電信、航空和鐵路應用的充電電池的主要化學成分是鎳基(Ni-Cd, Ni-MH)電池。 鋰離子電池主導消費電子市場，并已將其應用擴展到電動汽車。 值得注意的是，電動汽車中使用的鋰離子電池數量超過了移動和信息技術應用的總和。

在手機、平板電腦和筆記本電腦市場增長的刺激下，推動鋰離子電池的能量密度越來越高。它與電池運行的小時數直接相關。 這個領域的電池專家，不斷調整技術以獲得更大的密度，包括改變化學成分和修改設計。他們甚至考慮了原材料供應鏈，認為鈷作為鋰離子設計的添加劑是昂貴和困難的。

鋰離子電池是當今電池功率和儲能的主要來源。

能量密度的單位是每公斤的瓦特小時數(Wh/kg)。鋰離子設計提供最高密度250-270Wh/kg的商用電池。相比之下，鉛酸電池的容量不足100 Wh/kg，鎳氫電池的容量僅略高于100 Wh/kg。除了能量密度外，功率密度也是個重要的考慮因素。功率密度測量的是電池放電(或充電)的速率與能量密度的比值，能量密度是對總充電量的測量。例如，一個大功率的電池可以在幾分鐘內放電完畢。 高能電池能放電幾個小時。 電池設計本質上是在能量密度和功率密度之間的權衡。據美國固體技術公司(Solid State Technology)技術經理Joong Sun Park說，“就功率密度而言，鋰離子電池可以極其強大，而統計關聯流體理論(Saft)能生產世界聯合攻擊戰斗機和方程式賽車用功率密度最高的鋰離子電池，范圍高達50 kW/kg。”

在過去的30年里，鋰離子電池技術已取得顯著進步，但由于材料的限制，最好的鋰離子電池性能已接近極限。它們還有重大的安全隱患，譬如過熱時容易著火，致使成本上升，因為電池系統必須內含安全功能。

問到替代鋰離子的材料，Park說，“我們正在開發替代材料和電池化學，以超越鋰離子，包括以鋰硫、鈉、鎂為基礎的設計。 一旦商業化，這些電池在能量密度或成本方面，肯定比現有的鋰離子電池有潛在的優勢。 但與鋰離子電池相比，目前的技術成熟度還比較低。 因此，要與鋰離子電池競爭，就需要從可用材料到制造工藝方面有進一步的突破。” 最終看來，由于實際生產和學術研究之間的差距，鋰/鍶電池目前還沒有準備好商業化，但正在認真研究。

帕克解釋說，“減少碳污染的努力還與電池等儲能設備相結合，推動太陽能和風能等可持續能源發電的發展。” 這暗示一個事實，即更大的需求導致材料選擇、設計和制造過程的創新。 固體聚合物、陶瓷和玻璃電解液等材料，使固體電池和新型環保工藝，能去除鋰離子電池制造過程中使用的有毒溶劑。

固體電池

雖然目前這個行業主要集中在鋰離子電池上，但也在向固體電池設計轉變。 據美國可靠能源公司(Solid Power)首席執行官與聯合創始人道格•坎貝爾(Doug Campbell)說，“上個世紀90年代最早發明鋰離子并商業化，到現在基本上沒有什么變化。 幾乎都有相同的電極組合，只有極小的調整。 這個行業已經盡可能多地利用這項技術進行設計。” 可靠電力公司已試驗了幾種類型的材料，包括聚合物、氧化物和硫化物。 每一種都有其優點和缺點。通過他們的研究，已選定進一步發展硫化物技術。

從液態電解質電池到固體電池似乎不是傳統的設計，但其目標是在能量密度上跨越現有的能力。金屬鋰在液體電池系統中形成“樹突”，影響電池的循環壽命和安全性。固態電解質本身更安全，機械剛性更強，可以在不影響安全性的情況下增大電池的能量密度。

許多像Solid Power這樣的公司正在領導固態電池生產方面的變革。

固體電池技術包括固態金屬電極和固態電解質。雖然化學成分基本相同，但固態設計可避免電極處的泄漏和腐蝕，降低火災風險，并降低設計成本，因為無需考慮安全特性問題。 固體電解質設計也使“形狀”因素更小，意味著重量更小。最重要的是，固體電池有望克服目前遭受的能量密度限制。人們相信，如果設計得當，使用金屬鋰，理論上能使鋰離子電池技術的容量增加一倍。 金屬鋰的容量是目前鋰離子電池使用標準碳陽極的10倍。

為什么轉向固體電池

出于多種原因，這個行業目前正轉向固體電池。 最重要的是，使用液態電解質的標準鋰電池，即使對設計進行微調以獲得更大的密度，也已突破所使用電極組合的理論極限。 然而，從市場的角度來看，隨著電動汽車在市場上的強勢發展，不斷增加能量密度是個重要的需求，而能量密度的每次增長，都與汽車的續航里程和電池壽命的增加成正比。對于更大容量電極的需求，比如固態鋰金屬，意味著每千克的“Wh”數可以提高50%到100%。 此外，還有一些輔助的利益，包括用穩定的固體材料取代易揮發和易燃的液態電解質，這種材料不會出現過去看到的“熱失控”問題，即固體鋰離子在化學上更安全。

然而，仍有一些問題需要解決，比如哪種材料效率最高，哪種生產技術產生的最終產品成本最低。目前，能夠在市場上競爭的固體電池僅限于小型電池。 第一個上市的固體電池是薄膜電池。 這些納米電池是由層狀材料組成的，它起電極和電解質的作用。薄膜固體電池在結構上與傳統的可充電電池相似，非常薄而且靈活。 除了重量輕、體積小之外，薄膜電池還為更小的電子設備(如起搏器、無線傳感器、智能卡和電子標簽)提供更高的能量密度。

除了增加電池容量，固體電池有望克服能源密度和尺寸的限制。

除了解決負擔得起和尺寸問題外，固體電池還面臨著技術上的挑戰。 固體電池要更加安全，但仍存在“樹突”問題，即在電池充放電時，在陽極上形成金屬鋰的根狀積聚。 樹突積累，降低了固態電解質的容量，因而減少了儲存的電荷量。

找到合適的分離材料，允許鋰離子在電極之間流動，同時還阻塞樹突，是開發者面臨的最大挑戰。 根據最近的一篇論文《固體電池界面的穩定性》[2]，研究人員使用了聚合物(廣泛用于液態電解質電池)或硬陶瓷等材料。 聚合物不會阻塞樹枝狀結構，而所用的大多數陶瓷都很脆，不能持續多次充電。樹突問題一旦得到解決，固體電池有望為消費者提供某些誘人的性能優勢：充電速度更快、能量密度更高、生命周期更長，而且更安全。

正在開發的另一種方法是“無損陽極”設計。 電池在使用過程放電，鋰從陽極流向陰極;在這種情況下，陽極的厚度減小。 但在電池充電時，過程相反，鋰離子涌回陽極。

另一家公司即美國錫安能源(Sion Power)，已從Li/S轉向Licerion牌鋰-金屬專利技術。 據它們技術信息的說法，Sion Power通過開發多層面的方法，保護鋰金屬陽極，克服了困擾鋰金屬化學的能量密度(Wh/L)和循環壽命的歷史問題。 這種方法包含三個級別的保護：柵元內的化學保護、物理保護和包級的物理保護。它們使用專利的、受保護的鋰陽極(PLA)技術，通過一種薄而化學穩定、離子導電的陶瓷聚合物屏障，做金屬鋰陽極的物理保護。這使得電解液添加劑在電池水平上穩定在陽極表面，從而提高循環壽命和增加能量。包級保護包含專有的柵元壓縮，還有個先進的電池管理系統。

儲能的未來

比賽開始了。 隨著電動汽車銷量飆升，高密度、長壽命和低成本電池的需求，意味著固體電池的競爭環境變得越來越擁擠。這對這種電池的研究和開發來說，是好消息，因為這是固體電池迅速進入市場所需要的。目前，一些材料和設計正在探索中，并出現了顯著的進展。

已經證明小型電池提供了固體電池需更高的性能，所以大型電池的制造過程也就是個時間問題。 有幾家公司表示，這些電池最早將在明年上市，到2025年才會有更多的電池上市。 就像液態電解質鋰離子電池一樣，一旦制造業趕上來，將進一步推動技術創新。 這意味著我們很可能會看到材料和設計方法的調整，從而在未來幾年，推動電池性能的發展。

資料與注釋：

1 Terry Persun, Advancing Battery Technology for Modern Innovations, ASME, May 18, 2021

2 William D. Richards et al., Interface Stability in Solid-State Batteries, Chem. Mater. 2016, 28, p. 266−273