钜大LARGE | 点击量：305次 | 2023年10月25日
新型固态电池发展方向明确，从根本上解决电动汽车关键问题
上周，几家试图开发固态电池的初创企业和现有的OEM厂商宣布了一些创新，这些创新可以为汽车制造商提供更安全、更便宜的锂离子电池替代品，从而加速电动汽车的应用。例如，与大众汽车公司有战略合作关系的QuantumScape公司宣布了一种固态电池的有希望的测试结果。同时，一家成立6年的名为SolidPower的初创公司透露，它已经制造出了一种能正常工作的固态电池，并正在科罗拉多州的一家试验工厂生产具有10层堆叠的原型电池。
开发基于固体电解质的下一代锂电池可以从根本上解决电动汽车（EV）中的一些关键问题：
范围：大多数电动汽车的续航里程为300英里或更短。
充电时间：为当前的电池组充电需要一个多小时，而为装有固态电池的电动汽车充电大约需要10分钟。
电荷损失：电池在十年内可能损失近三分之一的容量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
安全性：由于所使用的易燃材料，在电极之间带锂离子的常规液体电解质会带来严重的安全风险。
此外，东丽工业公司还为锂离子电池创造了一种无孔分离器，可以通过提高锂金属阳极的安全性来大幅提高电池容量；丰田公司表示，计划在2025年将固态电池技术应用于其量产车。
让我们逐一来看看这些进展：
QuantumScape
在一份新闻公告中，加州圣何塞一家成立10年的初创公司QuantumScape提供了该公司固态电池实验室测试的技术结果。此前，固态电池在高功率下使用金属锂工作，存在寿命短、充电速度慢的问题。但据QuantumScape公司介绍，其不可燃电池可以在15分钟内充到80%的容量，在800次充电循环后仍能保持80%以上的容量，而且每升的体积能量密度超过1000瓦时，几乎是商用锂离子电池能量密度的两倍。
QuantumScape的阴极，即正极，由电动汽车电池中常见的镍锰钴氧化物组成。然而，它的负极，或阳极，是由纯金属锂制成的，它是在成品电池充电时就地形成的，而不是在生产电池时形成的（图1）。
1.所示为QuantumScape的单层固态锂金属电池单元。
该公司的固态设计进一步提高了能量密度，因为据说它的阳极上不需要多余的锂。此前一些固态电池的尝试采用了沉积式锂阳极，这降低了能量密度。
关键的突破是在阴极和阳极之间使用陶瓷分离器来取代传统电池电池中使用的液体电解液。与该方案中的液体电解液一样，当电池充放电时，锂离子从一个端子流向另一个端子。放电时，锂从阳极流向阴极，阳极侧被压缩。分离器薄如人发，是固态电池的秘籍。它必须作为一种屏障，防止锂金属阳极上在充电周期中形成的锂树枝状金属卷须在电极之间流动并造成短路。
树枝状是由于不均匀的化学反应导致负极表面长出枝状晶体的现象。锂枝晶沿着微孔薄膜的孔隙形成。消除分离器孔隙可以阻止这种生长，但缺点是大大降低了锂离子的渗透性。QuantumScape的固态分离器取代了传统电池中使用的有机分离器，实现了无阳极结构，零多余的锂。
在过去，固态电池的努力依赖于聚合物--液体电解质电池的首选分离器材料--或硬质陶瓷。不幸的是，聚合物不能阻挡树枝状物。而用于实验性固态电池的陶瓷已被证明太脆，无法持续足够的充电周期。QuantumScape没有透露其使用的分离器的性质，只是说这种材料是现成的。
QuantumScape新近发布的基于单层电池单元测试的结果显示，其固态分离器能够在非常高的功率率下工作，能够在15分钟内充电到80%的容量，比传统电池能够提供的速度更快。
测试的电池是大面积的单层袋装电池，采用目标商业化的外形尺寸，厚阴极在30°C下以一小时充放电速度运行。这些测试表明，在800次循环后，保留容量大于80%。
QuantumScape公司推出的薄型电池注定要与其他约100种电池堆叠在一起，形成一副扑克牌大小的完整电池。到目前为止，该公司还没有测试过完全堆叠的电池。
固体电源
一家名为SolidPower的6岁初创公司也制造出了一种功能性固态电池。传统锂离子电池中的易燃液态电解质被一种专有的硫化物固态电解质所取代。SolidPower已经开始在该公司位于科罗拉多州路易斯维尔的一家试验工厂的连续卷对卷生产线上生产330Wh/kg、22层全固态锂金属电池（图2）。该公司的路线图是到2022年突破400Wh/kg。
2.SolidPower的22层20-Ah全固态金属锂电池与该公司第一代10层2Ah电池的对比。
SolidPower与宝马现代和福特等多家汽车制造商建立了合作关系，共同开发全固态电池。该公司还得到了三星、VoltaEnergyTechnologies和Solvay等著名投资者的支持。
SolidPower的10层2-Ah袋式电池在接近室温的情况下表现出稳定的早期循环，而相应的双层袋式电池已经超过了250次稳定循环。在进入正式的汽车认证程序之前，预计会有进一步的进展。
SolidPower已展示了该公司的最新电极成分，该成分将在2021年投入生产，包括：
-10°C操作
在室温下15分钟内可快速充电50％
隔板厚度低至25微米
该公司预计将在2022年初进入正式的汽车资质认证程序，推出更大容量的全固态电池单元。
东丽工业
东丽工业公司开发了一种锂离子电池用无孔分离器，通过提高锂金属阳极电池的安全性，可大幅提高容量。东丽利用高耐热性芳纶聚合物分子设计技术，解决了充电过程中锂金属表面形成树枝状物的难题--穿透分离器，造成短路，使安全性下降。因此，该公司能够在保持离子导电性的同时，抑制锂金属阳极电池的树枝状形成。该公司通过将聚合物作为无孔分离器，在微孔分离器上设置无孔层，实现了这一目的。
东丽公司的研究表明，采用这种分离器的电池可以抑制因树枝状物引起的短路，并在100次充放电循环后保持80%以上的容量。该公司还表示，将加快研发速度，迅速确立锂金属阳极电池的技术，以推动未来锂离子电池的超高容量和安全性。
丰田
丰田公司正在开发一种固态电池，该公司官员称，这种电池一次充电就能行驶500公里，并在10分钟内从零到满电。而且该电池将做到安全问题最小化。丰田计划在今年的东京奥运会上推出其固态电池，然后因为疫情而推迟了时间
丰田还计划在2020年代初成为第一家销售配备固态电池的电动汽车的公司。这家全球最大的汽车制造商预计将在明年推出一款原型车。
