半固態電池邁進一步:含有凝膠電解質的電池

本月早些時候，中國宣布將向一項基金注資60億元人民幣（約合8.26億美元），該基金旨在刺激該國領先的電池制造商開發固態電池。固態電池使用玻璃、陶瓷或固體聚合物材料的電解質，而不是當今絕大多數電動汽車 （EV） 電池中的液態鋰鹽。它們備受期待，因為它們的能量密度是帶有液體電解質的電池的三到四倍，在其生命周期內提供更多的充放電循環，并且更不容易受到偶爾導致鋰電池著火的熱失控反應的影響。

但中國對未來電池的投資不太可能加快大規模生產和在量產車上使用的時間表。正如IEEE Spectrum在1月份指出的那樣，在短期內在量產車中尋找固態電池是不現實的。Spectrum當時咨詢的專家“注意到對這些公告的技術優點持懷疑態度。沒有人能孤立出地平線上的任何東西，這表明固態技術可以擺脫未來的工程和'生產地獄'。

“在這一點上說，任何一種電池和任何一個國家在電池研發方面的投資將在未來占據主導地位，這是完全不正確的。—STEVE W. MARTIN，愛荷華州立大學

要實現電動汽車固態電池的規模化生產，首先需要在性能、壽命和車輛推進的相對成本方面驗證現有的固態電池技術，這些技術現在正用于其他要求較低的應用。研究人員仍然必須確定這些電池如何隨著年齡的增長而吸收和保持電荷并提供電力。他們還需要提供證據，證明玻璃或陶瓷電池可以承受在顛簸道路上行駛時帶來的刺耳，并證明它可以承受偶爾的擋泥板彎曲。
半固態電池來了

與此同時，當全世界都在等待固體電解質將液體推到一邊時，中國電動汽車制造商蔚來汽車和電池制造商微獅新能源科技有限公司（WeLion New Energy Technology Co.）合作，在市場上爭奪第三種選擇：帶有凝膠電解質的半固態電池。

CarNewsChina.com 在4月份報道說，WeLion電池的能量密度為每公斤360瓦時。完全封裝后，電池的額定密度為 260 Wh/kg。與磷酸鐵鋰電池相比，這仍然是一個顯著的改進，磷酸鐵鋰電池的密度最高為160 Wh / kg。上個月，蔚來汽車在上海、成都和其他幾個城市對蔚來電動汽車進行了測試，微獅電池組一次充電可行駛超過1000公里。蔚來汽車表示，計劃從本月開始在其汽車陣容中推出這種新型電池。

但是，中國政府的慷慨解囊，以及蔚來汽車與世界雄獅的合作，試圖率先將半固態電池投入量產車，這不應該成為過早地將電動汽車推進游戲稱為對中國有利的誘惑。

艾姆斯的愛荷華州立大學材料科學與工程教授史蒂夫·W·馬丁（Steve W. Martin）如是說。Martin的研究領域包括用于固態鋰電池的玻璃固體電解質和用于鋰電池的高容量可逆陽極，他認為固態電池是未來，混合半固態電池很可能是液態電池和固態電池之間的過渡。然而，他說，“在這一點上說，任何一個電池和任何一個國家在電池研發方面的投資將在未來占據主導地位，這是完全不正確的。馬丁解釋說，“現在有太多不同種類的固態電池正在開發中，其中沒有一個具有明確的技術領先優勢。
半固態電池的優勢

使半固態電池優于傳統電池的主要創新是半固態電解質，它們的名字由此而來。與液體電解質一樣，凝膠電解質含有離子導體，例如鋰鹽，但它們懸浮在凝膠基質中的方式支持更有效的離子電導率。增強離子從電池一側到另一側的傳輸，促進了電流在相反方向上的流動，從而形成一個完整的電路。這在充電階段很重要，因為該過程比在帶有液體電解質的電池中發生得更快。凝膠的結構還可以抵抗樹突的形成，樹突是充電過程中在陽極上形成的針狀結構并導致短路。此外，凝膠的揮發性低于液體電解質，因此不易著火。

雖然半固態電池無法達到固體電解質電池的預期能量密度和壽命，但它們在短期內處于優勢地位，因為它們可以在傳統的鋰離子電池生產線上制造。同樣重要的是，它們已經過測試，現在可以使用，而不是在某個未知的日期。

半固態電池可以在傳統的鋰離子電池生產線上制造。

除了WeLion之外，還有幾家公司正在積極開發半固態電池。包括寧德時代、比亞迪在內的中國著名電池制造商，以及國有汽車制造商一汽集團和上汽集團，與微獅一樣，都是中國在國內推進下一代電池技術計劃的受益者。另外，2009年在中國贛州成立的初創公司Farasis Energy正在與梅賽德斯-奔馳合作，將先進電池商業化。
固態電池的前進之路

美國初創公司QuantumScape表示，其正在開發的固態鋰金屬電池將提供約400 Wh / kg的能量密度。該公司指出，其電池消除了傳統鋰離子電池中出現的充電瓶頸，其中鋰必須擴散到碳顆粒中。因此，QuantumScape 的先進電池將允許在 15 分鐘內將 10% 的電量從 10% 快速充電到 80%。這還有很長的路要走，但這家總部位于硅谷的公司今年3月宣布，它已開始將其原型Alpha-2半固態電池運送給制造商進行測試。

豐田是一群不打算對沖賭注的公司之一。這家汽車制造商無視反對者，計劃到2027年將固態電池商業化，據稱這將使電動汽車一次充電可行駛1,200公里，并允許10分鐘的快速充電。它將其樂觀歸因于解決耐久性問題的突破。對于像Solid Power這樣的公司來說，它也是固態或蕭條。Solid Power旨在將具有專有硫化物基固體電解質的鋰電池商業化，該公司已與主要汽車制造商福特和寶馬合作。ProLogium Technology也在為固態電池的推出做準備，該公司聲稱將于今年開始提供將陶瓷氧化物電解質與無鋰軟陰極（能量密度超過500 Wh / kg）相結合的電池。該公司與梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）合作，今年早些時候在臺灣桃園開設了世界上第一家千兆級固態鋰陶瓷電池工廠，表明了對其時間表的信心。