期待已久的新電池技術將如何改變世界_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-08-10 11:43
QuantumScape火遍全球背後，人類的希望在固態電池？
撰文 | 渣渣輝
來源：科創實驗室微信公眾號
正如三體中智子對人類科技的封鎖一樣，當前人類也面臨科學與技術邊界的挑戰。
近期，曾奠定了現代半導體技術發展方向與基調的英特爾不得不承認一個事實：在原有的納米制程工藝體系下摩爾定律已然失效。對此英特爾不得不開闢新的製程工藝和封裝技術創新路線——埃米體系。
如果半導體是構成人類現代文明這座大廈的樓宇智能化系統的話，那麼貢獻過5位諾貝爾化學獎的電池則是這座大廈成功運行的水電氣，但經過幾十年發展的電池技術也碰到了技術與材料的天花板。
在尋找新一代電池技術的道路上，有的選擇在電池材料才尋求突破，從鉛酸電池到磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈉離子電池探索層出不窮；也有的選擇在電池結構上下功夫，小到改良的刀片電池和彈匣電池，大到顛覆傳統的固態電池，究竟誰才是新一代電池？
01 接近完美的固態電池
設想一下：有一項目前正在接受測試的技術，當它向公眾發佈時，將成為一場期待已久的能源革命。這項新技術有望比我們現在市場上的任何產品都更安全、更高效。它將影響我們日常隨處可見的東西——電動工具、玩具、筆記本電腦、智能手機——以及我們認知中的高科技產物——醫療設備、航天器，以及使我們擺脱化石燃料綁架的創新車輛設計。
這種描述可能聽起來很像核聚合能源（fusion power），然而它實際上指的是電池技術領域已走到商業前夕的新型電池——固態電池（solid-state batteries）。實際上，固態電池的概念並不是什麼新鮮事，早在1834邁克爾·法拉第（Michael Faraday）便發現了固態電解質硫化銀和氟化鉛，不過直到20世紀90年代橡樹嶺國家實驗室才開發了一種製造薄膜鋰離子電池的固態電解質，後續Bolloré、Sakti3、NGK、Solid Power均斷斷續續推出過相關產品，不過大眾最看好的（包括索羅斯）還是QuantumScape，據悉其已解決了枝晶難題。
電池無非是儲存化學能並將其轉化為電能的裝置。它們有四個主要部分：陰極、陽極、電解質和隔膜。陰極和陽極是電極。當電子從一個電極傳遞到另一個電極時，就會產生電流。在這種情況下，電子從帶負電的陽極傳遞到帶正電的陰極。然後，兩個電極的作用是產生我們的電流。電解質溶液允許帶正電的離子在兩個電極之間流動。這平衡了電子的流動。最後，隔膜將兩個電極分開並防止電池短路。
我們目前的電池和未來的固態電池之間有一個重要的區別：電解質。當前的鋰離子電池使用的是液體電解質。不幸的是，液體電解質中存在的某些化合物允許被稱為枝晶（dendrites）的晶體結構的生長。枝晶會產生長而鋒利的晶須，可以刺穿隔板並導致短路，從而導致危險的爆炸。
而固體電池則捨棄了液體電解液，用固體電解質（可分為有機物/聚合物與硫化物、氧化物等無機物）代替了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜。一旦電解質從液體轉換為固體就會發生令人震驚的事情：電池具有更高的能量密度，火災和爆炸的風險大大降低，佔用空間更小，並且能夠在更寬的温度範圍內運行。
以明星固態電池公司QuantumScape的技術路線為例，其採用的無負極製造工藝，鋰金屬負極不是在電池製造過程中形成的，而是在電池充電時由鋰離子在金屬箔片聚集而形成的，且該過程可逆，能實現多次循環。同時無負極還去掉了石墨/硅的等主體材料，能夠顯著提高電池的體積能量密度至1000Wh/L，質量能量密度至500Wh/Kg，消除了負極主體材料中鋰離子的擴散瓶頸，可以實現4C充電倍率；除此之外還使用陶瓷材料的固態分離器代替了液態有機電解質以及多孔隔膜，由於材料本身不可燃，起到了屏障的作用，即使在非常高的電流密度下，能抵抗負極鋰枝晶的形成，解決了鋰電池因枝晶而導致內短路的業界難題。
02 速度換密度的鈉離子電池
固態電池固然完美，但對於優先考慮商業化落地的企業來説，當前最需要的反而是一種能夠立刻戳到到消費者核心痛點的電池，而鈉離子電池便其中的優選方案。
鈉離子電池仍然屬於我們所熟知的液體電池，鈉離子電池也主要由正極、負極、電解液、隔膜、外殼組成。不過鈉離子電池其放電過程與鋰離子電池有所差異，鋰離子電池是通過鋰離子在正負極之間移動、轉換實現放電，而鈉離子電池則是通過鈉離子在正負極之間的嵌入、脱出實現放電。
與固態電池一樣，鈉離子電池也不是什麼最新的概念。1976年，2019年諾貝爾化學獎得主Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）在研究二次電池時不僅發現TiS2能夠進行Li的嵌入和脱出，同時也能夠進行Na的嵌入和脱出，不過由於負極採用的為並不穩定的金屬鋰，而由於鹼金屬較高的反應活性，因此導致界面穩定性差，同時由於充放電過程中的枝晶生長問題，加之鋰電池逐漸商用，因此採用金屬鋰負極的鈉離子電池始終未能得到廣泛的應用。
不過隨着研究的深入，鈉離子電池正負極材料也有了新的進展，目前主要有以英國Faradion公司為代表的氧化物正極和硬碳負極1-5Ah軟包電池，採用聚陰離子正極的圓柱形電池的法國公司Tiamat，採用Cu氧化正極和無煙煤製備的硬碳負極體系的HiNa公司（普魯士藍路線）。
鋰離子電池和鈉離子電池在電池設計上幾乎沒有差異，唯一的區別體現在集流體上。鋰離子電池中負極採用Cu箔作為集流體，正極採用Al箔作為集流體，而鈉離子電池正負極都可以採用鋁箔作為集流體，可以使電池更輕薄，更重要的是不用擔心負極銅箔氧化而造成儲能效率的衰降，電池循環上千次後仍然能保持80.9%的容量。
當然鈉離子電池最大的優勢還是充電速度與安全性上，在頂部針刺實驗中，鈉離子電池10min最高温度僅為130℃，而鋰離子電池的初始温度便高達165℃，自加熱過程中10min最高温度達260℃，鈉離子電池具有更好的熱穩定性。同時由於鈉離子相較於鋰離子斯托克斯直徑更小，在相同濃度電解液具有更好的導電率，故像寧德時代等廠商宣傳其快充能夠實現15分鐘充電80%。
但鈉離子電池換來了速度卻丟失了密度，目前鈉離子電池的能量密度在70—200Wh/Kg，遠低於能量密度240—350Wh/Kg的鋰離子電池，同時鈉離子電池目前充電、放電循環次數也僅在3000-4000次（理論循環次數10000次），較LEP鋰電池也存在一定差距。
中金對鈉離子電池的點評為：鈉離子電池短期影響無憂，長期不改鋰需求剛性。
03 固態電池距我們生活有多遠
總的來説，短期內鋰電池仍然會佔據我們大部分手機、電腦、汽車，而鈉離子電池看似在安全性、快充等消費者最在意的點上具備優勢，但其電池能力密度要追上鋰電池仍需3-5年。而固態電池目前進展迅速，美國私營創業公司 Solid Power 已經在生產多層固態電池了，QuantumScape、豐田、特斯拉也將在2025年大規模商業化固態電池，在安全性、快速特性、能量密度等多個方面都趨於完美的固態電池距我們生活並不那麼遙遠。
以特斯拉為例，其2014年與松下合建超級工廠開始在電池領域佈局，並在2016年與鋰電池研究團隊Jeff Dahn簽訂技術供應協議，2019年特斯拉又收購了超級電容公司Maxwell，掌握了乾電極技術和超級電容技術，2020年特斯拉啓動代號為Roadrunner的電池項目，與澳大利亞、美國等礦產巨頭達成合作解決原料問題，特斯拉已完成原材料佈局、電池基礎研發、電芯製造到產線建立所有工作，預計2025年可實現固態電池上車。
固態電池的應用影響是巨大的、方方面面的。以電動汽車為例，迄今為止，電動汽車的最大缺點是其行駛里程有限。一輛普通的電動汽車充滿電後可行駛150-600公里。根據車輛是在車站充電還是在家中使用標準插座，為車輛充滿電需要 1 小時到 17 小時不等。雖然目前電動汽車有諸多不便和限制，但大眾仍一直認為電動汽車將主導汽車行業，不過前提是製造商需要將航程擴大到至少800 公里，同時不增加消費者的經濟負擔。
那如果使用固態電池呢？
公司可以選擇製造更小、更輕、充電速度更快的電池，讓電池保持相同尺寸但容量更大，續航里程可增加54%、充電時間也縮短至 15 分鐘。同時，據特斯拉計算，使用固態電池電池成本可減少56%、單位投資額可減少69%，而且電動車在低温環境也不會趴窩。
而對於筆記本電腦和智能手機而言，這意味着設備可以在單次（5min）充電後使用3-5天，甚至一週，電池的整體壽命也可從 2 年增加到 10 年甚至以上。而醫療設備這些需要靠着固定電源的設備，也可變得更加便攜和緊湊……
目前固態電池不僅引起了特斯拉的注意，而且傳統汽車廠商大眾汽車、福特汽車、寶馬汽車、現代汽車、豐田汽車均在固態電池的研究上投入了數十億美元。比爾蓋茨支持的公司 QuantumScape 已經製造出帶有陶瓷層的固態電池，這些陶瓷層能夠抵抗枝晶生長並且能夠在較低温度下運行。豐田計劃到 2025 年限量發佈配備固態電池的汽車。然而，最令人激動的消息來自於你我可能從未聽説過的人——約翰·古迪納夫 (John Goodenough)。
據悉，前不久古迪納夫領導的一個研究小組已經提交了一種玻璃混合陶瓷材質固態電池的專利，該電池穩定、不易燃、充電速度更快，並且其能量存儲是普通鋰離子電池的 3 倍，其體積甚至可以做到米粒大小。值得注意的是，該電池價格實惠，而且可持續超過 2000 次充電和放電循環，玻璃電池的工作温度範圍介於-20º C 和 60º C之間，在物聯網時代大有可為。
1894年尼古拉·特斯拉贏得了“電流之戰”，將人類拉入了璀璨的電氣時代，如今固體電池、鈉離子電池百花齊放又將把人類帶入一個怎樣的時代呢？我們不妨讓子彈再飛一會。
本文經授權轉載自微信公眾號“科創實驗室”；編輯：雙雙。