蓋世汽車(chē)訊 據(jù)外媒報(bào)道，隨著減少碳排放的需求日益迫切，人們迅速轉(zhuǎn)向電氣化交通，并擴(kuò)大在電網(wǎng)上部署太陽(yáng)能和風(fēng)能。如果這些趨勢(shì)持續(xù)升級(jí)，對(duì)更好的電能儲(chǔ)存方法的需求將會(huì)增強(qiáng)。

（圖片來(lái)源：MIT）

麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程學(xué)副教授Elsa Olivetti表示：“大規(guī)模開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)格的存儲(chǔ)技術(shù)至關(guān)重要。然而，對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用，尤其是交通領(lǐng)域，很多研究都集中于改良目前的鋰離子電池，使其更安全、更小，在單位體積和重量?jī)?nèi)存儲(chǔ)更多的能量。”

雖然傳統(tǒng)鋰離子電池不斷改進(jìn)，但仍存在一些局限性，部分原因在于其結(jié)構(gòu)。鋰離子電池中包含正負(fù)極和電解液。這種設(shè)計(jì)的問(wèn)題之一在于，在一定的電壓和溫度下，電解液易于揮發(fā)，并引發(fā)火災(zāi)。另一問(wèn)題在于鋰離子電池不太適合用于車(chē)輛。大而重的電池組會(huì)占據(jù)空間，同時(shí)增加車(chē)輛總重，并降低燃料效率。事實(shí)證明，在保持能量密度(即每克重量?jī)?chǔ)存的能量)的同時(shí)，很難使現(xiàn)有鋰離子電池變得更小、更輕。

為了解決這些問(wèn)題，研究人員嘗試制造全固態(tài)電池，用薄的固態(tài)電解質(zhì)取代電解液。這種電解質(zhì)可以在較大的電壓和溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。同時(shí)，采用高容量正極，以及比通常使用的多孔碳層薄得多的鋰金屬負(fù)極。這使電池可以在縮減尺寸的同時(shí)保持儲(chǔ)能能力，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。

研究人員Kevin Huang博士表示：“提升安全性和能量密度，被視為固態(tài)電池的兩個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)。然而，這只是一種預(yù)期，不一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。”盡管如此，研究人員還是在努力尋找能夠?qū)崿F(xiàn)這些愿景的材料和設(shè)計(jì)。

思考實(shí)驗(yàn)室之外的問(wèn)題

研究人員已在實(shí)驗(yàn)室中提出了很多有潛力選項(xiàng)。但是，考慮到緊迫的氣候變化挑戰(zhàn)，有必要多考慮一些實(shí)際因素。Olivetti表示：“在實(shí)驗(yàn)室里，我們的研究人員總是用一些指標(biāo)來(lái)評(píng)估可能的材料和工藝。”例如儲(chǔ)能能力和充放電速率。在進(jìn)行既必要又重要的基礎(chǔ)研究時(shí)，這些指標(biāo)是適當(dāng)?shù)摹！暗绻獙?shí)現(xiàn)目標(biāo)，我們建議針對(duì)快速擴(kuò)展?jié)摿Γ鲈O(shè)一些指標(biāo)。”

基于目前業(yè)界對(duì)鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員和加州大學(xué)伯克利分校(University of California at Berkeley)的Gerbrand Ceder教授提出了三個(gè)大范圍問(wèn)題，幫助確定所選擇的材料對(duì)于未來(lái)擴(kuò)大規(guī)模的潛在制約因素。

首先，對(duì)于這種電池設(shè)計(jì)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，材料可用性、供應(yīng)鏈或價(jià)格波動(dòng)會(huì)成為問(wèn)題嗎？(請(qǐng)注意，采礦規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的環(huán)境和其他問(wèn)題，不在本研究范圍內(nèi)。)

其次，用這些材料制造電池是否會(huì)涉及困難的制造步驟，在這些步驟中部件可能會(huì)失效？

第三，基于這些材料生產(chǎn)高性能產(chǎn)品，所采取的制造措施，最終會(huì)降低還是提高電池的生產(chǎn)成本？

為了證明他們的方法，Olivetti、Ceder和Huang研究目前正在探討一些電解質(zhì)的化學(xué)成分和電池結(jié)構(gòu)。他們求助于以前的研究成果，以選擇樣品。研究人員曾使用文本和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，來(lái)收集文獻(xiàn)中報(bào)告的材料，以及細(xì)節(jié)處理信息。從該數(shù)據(jù)庫(kù)中，研究人員選擇了幾個(gè)常見(jiàn)選項(xiàng)。

材料和可用性

在固態(tài)無(wú)機(jī)電解質(zhì)的世界里，主要有兩種材料。一種是氧化物，其中含有氧；另一種是硫化物，其中含有硫。研究人員在每一類(lèi)別內(nèi)都專(zhuān)注于一種有前景的電解質(zhì)選項(xiàng)，并檢測(cè)其中的關(guān)鍵元素。

研究人員考慮的硫化物是LGPS，其中含有鋰、鍺、磷和硫。同時(shí)，考慮到可用性，重點(diǎn)關(guān)注鍺，這種元素通常不單獨(dú)開(kāi)采，而是在煤炭和鋅開(kāi)采期間產(chǎn)生的副產(chǎn)品。

為了調(diào)查其可用性，研究人員著眼于過(guò)去60年間在煤炭和鋅開(kāi)采期間鍺的年產(chǎn)量，以及其實(shí)際最大可生產(chǎn)量。結(jié)果表明，即使在最近幾年，鍺的產(chǎn)量也有可能超過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)量的100倍。考慮到這種供應(yīng)潛力，擴(kuò)大生產(chǎn)基于LGPS電解質(zhì)的固態(tài)電池，不太可能因鍺的可獲得性而受限。

對(duì)于研究人員所選擇的氧化物L(fēng)LZO（其中含有鋰、鑭、鋯和氧），情況看起來(lái)不那么樂(lè)觀。關(guān)于提取和加工鑭的數(shù)據(jù)有限，因此研究人員并沒(méi)有充分分析其可用性。其他三種元素儲(chǔ)量豐富。然而，在實(shí)踐過(guò)程中，必須添加少量的另一種元素（稱(chēng)為摻雜劑），以使LLZO易于處理。因此，研究小組將重點(diǎn)放在了最常用的摻雜劑鉭上，作為L(zhǎng)LZO中的主要考慮元素。

鉭是開(kāi)采錫和鈮的副產(chǎn)品。歷史數(shù)據(jù)顯示，與鍺的情況相比，在錫和鈮開(kāi)采過(guò)程中的鉭產(chǎn)量，更加接近其潛在最高產(chǎn)量。因此，對(duì)于擴(kuò)大LLZO電池規(guī)模來(lái)說(shuō)，鉭的可獲得性更需要考慮。

了解一種元素的地球儲(chǔ)量，并不代表解決了開(kāi)采等問(wèn)題。研究人員探討關(guān)鍵元素供應(yīng)鏈的后續(xù)問(wèn)題，如開(kāi)采、加工、提煉和運(yùn)輸?shù)取＜僭O(shè)可以大量供應(yīng)，相應(yīng)的供應(yīng)鏈?zhǔn)欠褚部梢匝杆贁U(kuò)大，以滿足不斷增長(zhǎng)的電池需求。

在樣品分析中，研究人員關(guān)注，鍺和鉭供應(yīng)鏈需要達(dá)到多大的年增長(zhǎng)率，才能為預(yù)期中的2030年電動(dòng)汽車(chē)車(chē)隊(duì)提供電池。例如，有觀點(diǎn)認(rèn)為，對(duì)2030年的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)，需要生產(chǎn)足夠的電池，提供總共100千兆瓦時(shí)的能量。僅依靠LGPS電池來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鍺的供應(yīng)鏈需要年增長(zhǎng)50%。相比來(lái)說(shuō)，因?yàn)檫^(guò)去的最大增長(zhǎng)率約為 7%。僅使用LLZO電池，鉭的供應(yīng)鏈需要增長(zhǎng)約30%，遠(yuǎn)高于約為10%的歷史高位。

這些例子說(shuō)明，在評(píng)估不同固態(tài)電解質(zhì)的擴(kuò)展?jié)摿r(shí)，考慮材料可獲得性和供應(yīng)鏈的重要性。“即使跟鍺一樣，無(wú)法獲得材料的可用數(shù)量，為了適應(yīng)未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)，可能也需要以前所未有的速度擴(kuò)展供應(yīng)鏈中的其他步驟。”

材料和加工

在評(píng)估電池設(shè)計(jì)的擴(kuò)展?jié)摿r(shí)，另一需要考慮的因素是制造過(guò)程的難易程度，及其對(duì)成本的影響。制造固態(tài)電池需要很多步驟，任何一步出現(xiàn)失誤都會(huì)導(dǎo)電池生產(chǎn)成本提高。如同Huang所說(shuō)：“你不會(huì)運(yùn)輸那個(gè)壞掉的電池，你會(huì)把它們?nèi)恿恕５牵阋呀?jīng)付出了材料、時(shí)間、加工過(guò)程和金錢(qián)。”

研究人員在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找故障率對(duì)選定固態(tài)電池設(shè)計(jì)總成本的影響。在一個(gè)例子中，他們專(zhuān)注于氧化物 LLZO。LLZO非常脆，在制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)高溫，用于高性能固態(tài)電池的足夠薄的大片材，很可能會(huì)出現(xiàn)破裂或翹曲。

為了確定這些故障因素對(duì)成本的影響，研究人員對(duì)組裝LLZO基電池的四個(gè)關(guān)鍵工藝步驟進(jìn)行了建模。在每一步中，都根據(jù)假設(shè)成品率計(jì)算成本，也就是加工成功而沒(méi)有失敗的總部件的比例。使用LLZO時(shí)的產(chǎn)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他研究設(shè)計(jì)。隨著產(chǎn)量下降，每千瓦時(shí)電池能量的成本顯著上升。例如，在最后的正極加熱步驟中，多出5%的部件故障，成本就增加了約$30/kWh，考慮到此類(lèi)電池的普遍接受目標(biāo)成本為$100/kWh，這是個(gè)不小的數(shù)值。顯然，制造難易度可能對(duì)大規(guī)模采用設(shè)計(jì)的可行性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

材料和性能

設(shè)計(jì)全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)之一來(lái)自于界面膜。在運(yùn)行或制造過(guò)程中，這些界面材料變得不穩(wěn)定。“原子去了不該去的地方，電池性能開(kāi)始下降。”因此，大多數(shù)研究致力于提出在不同電池設(shè)計(jì)中穩(wěn)定界面的方法。很多方法確實(shí)有助于提高性能。然而，采用這些方案通常需要耗費(fèi)材料和時(shí)間，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，使電池成本上升。

為此，研究人員首先研究了氧化物L(fēng)LZO，旨在通過(guò)在LLZO電解質(zhì)和負(fù)極之間插入薄錫層，來(lái)穩(wěn)定兩者之間的界面。同時(shí)，分析實(shí)施該解決方案對(duì)成本的正負(fù)面影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，添加錫隔層，可以提高儲(chǔ)能能力，并提升性能，從而降低單位成本。但加入錫層的成本超過(guò)了節(jié)約成本，從而使最終成本高于原成本。

在另一項(xiàng)分析中，研究人員著眼于名為L(zhǎng)PSCI的硫化物電解質(zhì)，其中含鋰、磷和硫，以及一點(diǎn)添加的氯。在這個(gè)例子中，正極中包含電解質(zhì)材料顆粒，通過(guò)這種方式，可以確保鋰離子找到通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入其他電極的途徑。然而，這些添加的電解質(zhì)顆粒無(wú)法與正極里的其他粒子兼容，從而產(chǎn)生另外一種界面問(wèn)題。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是添加粘合劑，通過(guò)另一種材料，使粒子粘合在一起。

分析表明，沒(méi)有粘合劑的情況下，LPSCI基電池的性能很差，其成本高于$500/kWh。加入粘合劑后，可以明顯提升電池性能，成本幾乎下降至$300/kWh。在這個(gè)例子中，在電池制造過(guò)程中增加粘合劑的成本很低，不影響總體成本下降。

研究人員對(duì)文獻(xiàn)中提到的其他有前景固態(tài)電池進(jìn)行了類(lèi)似研究，其結(jié)果是一致的：所選擇的電池材料和工藝，不僅影響實(shí)驗(yàn)室的近期結(jié)果，還會(huì)影響為滿足未來(lái)需求規(guī)模制造固態(tài)電池的可行性和成本。研究結(jié)果還表明，綜合考慮可用性、加工需求和電池性能這三個(gè)因素，具有重要意義，因?yàn)榭赡苌婕凹w效應(yīng)和權(quán)衡問(wèn)題。

通過(guò)該團(tuán)隊(duì)的方法，可以探討一系列問(wèn)題。但是，研究人員強(qiáng)調(diào)，這并不是要取代實(shí)驗(yàn)室中用于指導(dǎo)材料和工藝選擇的傳統(tǒng)指標(biāo)。“與之相反，這是通過(guò)廣泛觀察各種可能阻礙擴(kuò)展進(jìn)程的因素，來(lái)擴(kuò)充這些指標(biāo)。”

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁(yè) >