距离固态电池越来越近了

依薷书坊 2021-10-28

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提高电动车的续航里程目前可行的仅有两种方法。一种是增加电池的数量，但这样成本就会上升，而且电池也会占据太多空间。另一种方法是，从目前的锂电池转向固态电池。

与传统的锂电池相比，固态电池具有巨大的潜在优势。固态电池更轻，具有更高的能量密度（简单地说，密度越高，功率输出越高），充电速度更快，且在极端温度下更稳定。目前用作固态电池的固体电解质材料包括陶瓷（例如，氧化物、硫化物、磷酸盐）和固体聚合物。

Yole Développemente预计，固态电池的商业化将从2025年左右开始。据Yole称，到2027年，固态电池市场规模约为2.36GWh，随后将加速增长。

在全球范围内，研究未来固态电池的电极和电解质新化合物的研究机构数量正在飙升。随着技术的不断进步，几种全固态电池可能会进入市场。第一种类型是石墨负极固态电池，有更好的能源性能和安全性。随后，更轻的金属锂负极固态电池技术应该可以商用。

除了对材料的研究，实验的重点是改进制造工艺，以便扩大生产规模。我们来看看近期的发展。

固态电池的最新发展

丰田与松下公司合作，宣布固态电池原型将在今年首次亮相。丰田还透露，打算在2030年前投资超过135亿美元，开发下一代电池，包括固态电池。

丰田的目标是通过改进电池的材料和结构，将电池的成本削减30%以上。该公司正在通过Prime Planet Energy & Solutions开发固态电池，这是一家与松下的合资公司，2020年4月开始运营，拥有约5100名员工，包括在中国子公司的2400名员工。

现代汽车向Solid Energy Systems（SES）投资了1亿美元，这是一家从MIT分离出来的公司。SES成立于2012年，正在开发无负极锂金属电池，计划在2030年量产固态电池。

据该公司称，SES电池的材料改进使其能量密度提高了一倍，同时保持了与目前锂电池相当的安全性。SES将运行一条试生产线，生产的电池原型将被装入实际的电动车上。这些原型有50A和100A两个版本。

大众投了QuantumScape，Bill Gates和上汽集团也投了该公司，计划在2024年为大众的电动车开发电池。大众称，该电池将比液态电解质电池高出约30%的续航能力，并在12分钟内可充至80%，不到目前锂电池快充时间的一半。

QuantumScape声称，与锂电池相比，它还有其他明显的优势，包括由于省去了负极材料而降低了制造成本。该公司估计，其电池的制造成本将比锂电池低17%、续航能力提高50-80%，而且电池寿命更长。该公司的单层电池已经显示出可以超过1000次的循环，能量保持率中位数超过90%。

QuantumScape预计将在2022年前交付原型样品。他们还计划在2024年前与大众合作将该产品投入量产。

在全固态电池中经常使用的锂金属负极容易引发枝晶，这可能会降低电池的寿命和安全性。三星已经开发出一种原型软包电池，据说单次充电可为电动车提供800公里的续航，循环寿命超过1000次。

三星的研究人员建议利用银碳（Ag-C）复合层作为负极。研究小组发现，在电池中加入Ag-C层，使电池能够有更大的容量和更长的循环寿命，并提高整体安全性。Ag-C纳米复合材料层厚度仅为5µm，可以降低负极厚度，并将能量密度提高到900Wh/L。这也使他们的原型比传统的锂电池体积小约50%。

今年早些时候，三星高级技术研究所展示了固态电池的研究成果，该电池可充/放电超过1000次，单次充电可行驶800公里。三星预计在2025年之前完成全固态电池的原型，并在2027年开始量产。

宝马和福特向Solid Power投了1.3亿美元，这是一家位于科罗拉多州的固态电池初创公司。据称，宝马将在2022年初从Solid Power公司获得固态电池测试，该公司称其固态技术可以提供比目前锂电池多50%的能量密度。

Solid Power正在扩大生产设施和产能。该公司将搬进一个75000平方英尺的建筑，他们计划大幅增加硫化物电解质材料的产量。

新建筑将使Solid Power每月生产约2500公斤电解质，而目前每月只有100公斤。该公司正在生产20-Ah的电池，不久将开始生产用于电动车的100-Ah的电池。

固态电池的制造工艺并非都已完全解决。加州的Sakuu公司认为3D打印是制造薄（低于50微米）陶瓷层的一种方法。该公司认为唯一的方法是用3D打印，而不是典型的roll-to-roll方法，因为陶瓷很脆，在使用过程中电解质膨胀和收缩时容易开裂。Sakuu估计一个电芯的打印时间为30秒或更短，而一个75kW的电池组中的8000个电芯最多需要6小时。

固态电池联盟

一个由七家英国组织组成的联盟正在开发固态电池技术原型，目标是汽车应用和使用可扩展的制造技术。Faraday Institution（英国独立的电化学储能研究机构）将领导其开发。

该联盟还包括以下电池研究、开发和制造领域的组织。