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数能科普 | 关于固态电池生长的周全看法

揭晓时间：2024-01-07 08:37

液态置换

随着固态电解质电池的兴起，与古板液态电解质电池相比，它们在电动汽车领域的应用远景备受关注。然而，尼克-弗莱厄蒂（Nick Flaherty）提醒我们，虽然这些固态电池具有重大的潜力，但要将它们推向市场仍然面临一些挑战。

首先，固态电池的一个主要优势是取代了液态电解质，有助于镌汰锂离子电池中锂枝晶的生长。锂枝晶可能导致电池短路，甚至在最糟糕的情形下引生气灾。别的，固态电池还可以接纳液态电池无法使用的其他质料，尤其是金属锂作为负极。这可能提供更高的能量密度，实验室已经展示了能量密度高达1514 Wh/litre的电池。

这种更轻和更高能量密度的特征也引起了电动飞机设计的兴趣。

然而，固态电池的开发面临多个挑战，因此许多视察家以为在2030年之前，它们不太可能大规模生产。其中一个挑战是固态电解质限制了电荷在质料中移动的能力，尤其是限制了电荷在差别质料界面之间的传输。这会降低电池的功率，即以Wh/kg为单位的比能量，由于必需通过更高的电压来驱动电流穿过电池。同时，这也可能镌汰电池的充电周期次数，由于较高的电压可能导致固态电解质比液态电解质更快地降解。

其他挑战包括大规模制造固态电池用于电动汽车的工艺，以及液态水电解质电池的清静性提升。因此，现在许多研究项目都在探索新的固态电池质料和结构，同时思量它们的可制造性。

总之，发明适用于高性能固态电解质电动汽车的合适质料组合是一个要害的研究领域，现在保存三种主要的固态电解质竞争者，包括氧化物和硫化物（可用作陶瓷质料）以及聚合物，后者在陶瓷支架中注入以承载电流。

固态电池的生长与现有锂离子电池有一个要害的差别点在于它们需要在比能量（以Wh/kg为单位）和能量密度（以Wh/litre为单位）之间取得平衡。全固态电池的接纳将显著提高电池的能量密度，这意味着在相同能量水平下，电池的体积更小，重量更轻。这反过来将使电池组能够在相同体积下提供更长的续航里程，或者在相同续航里程下提供更轻、更小、更经济的电池组。

然而，这通�；岫缘绯氐谋饶芰勘⒂跋�，或者说电池的功率输出。这关于卡车和公共汽车等重型电动平台来说是一个更大的问题，因此在选择固态电池（SSB）质料时需要做出差别的权衡。虽然，电动飞机需要兼顾这两方面。

使用更小、更轻的电池可以从基础上重新设计电池组，镌汰对物理�；ず屠淙吹男枨�，因此可以使用更轻的质料。这关于电动汽车平台来说是一个重大的前进，纵然电池自己已经实现量产，进入量产也需要时间。这就是为什么大大都电池开发商将2030年视为SSB手艺的要害时间节点。多年来，他们一直在研究这项手艺，从A样品到B样品，将容量从5Ah提高到20Ah，以供汽车制造商举行早期原型测试。

现在，几家SSB电池开发商正在建设试验生产线，以便在2022年和2023年举行小规模生产，并妄想在2024年和2025年举行批量生产。这些生产线所生产的电池可用于2028年至2030年批量生产的汽车，这也是人们对这一时间表感兴趣的缘故原由。

另一个因素是固态电池对形状尺寸的影响。现在最盛行的固态电解质由不会弯曲的陶瓷质料制成，因此无法制造圆柱形电池。这被以为是一个问题，由于圆柱形电池具有最高的生产本钱效益：它们可以通过自动化的卷对卷工艺举行大规模生产。

因此，寻找最具本钱效益的要领来批量生产袋状电池型固态电池是一个要害的生长领域。更高的能量密度可以节约汽车其他部分的冷却本钱，部分填补了较为重大的生产工艺，但这也是人们探索等离子工艺和3D打印等其他非古板手艺的缘故原由。

固态电池怎样与现有制造工艺相匹配也至关主要。有些公司正在刷新现有的锂离子电池生产线，使用聚合物基半固态电解质和电极质料，但电池的其他部分则使用标准质料。这将足以在未来生产高端限量版汽车。

半固态电极

半固态电极接纳了一种不使用粘合剂的立异要领，它将电解液与活性子料混淆在一起，形成一种类似粘土的浆液。这种电极浆液使电极更厚、质量更轻、本钱更低，同时简化了制造工艺。这种半固态电极很是无邪，可以适用于多种差别的质料，包括硅等。

有一个项目旨在将锂金属负极和半固态正极团结在一起，以应用于电动航空。该项目还包括开发一条商业化的、�？榛氖匝樯�，该生产线可以扩大到批量生产。

另一种暂时要领是使用已经在目今商业化电池中获得验证的硅负极手艺。已经投入生产的电池具有450 Wh/kg的能量密度和20 Ah的容量，而即将投入生产的电池将具有800 Wh/kg的能量密度。

然而，硅手艺面临的挑战是，在充电时，阳极会膨胀三倍，导致电池开裂和走漏。只管已经做了大宗事情来只管镌汰这个问题，但使用固态电解质可以阻止这个问题。

尚有其他用于提高现有电池容量的手艺，如在正极铜箔或铝箔中使用三维结构，这些手艺也可以应用于固态电池。

聚合物电解质

在中国电动汽车制造商NIO的ET7 150 kWh电池组中，接纳磷七镍含量的半固态电极和聚合物电解质。该电池组预计将于2022年底投入生产。这种电池组使用界面工程手艺实现了锂聚乙烯氧化物聚合物电解质的稳固循环，使用了含50%镍、20%钴和30%锰的阴极，爆发4.2 V的电压，同时碳硅阳极也含有锂。这种电池的能量密度高达360 Wh/kg，续航里程凌驾1000公里，并支持快速充电。

质料界面

质料界面是固态电池的一个要害研究领域。电极与固态电解质之间的界面会引起很大的电阻，电阻泉源尚不完全清晰。当电极外貌袒露在空气中时，电阻会增添，降低电池的容量和性能。虽然多次实验降低电阻，但仍未能将其降低到与不袒露在空气中时相同的10 Ω cm^2。测试批注，电阻降低的缘故原由是质子在退火历程中自觉移除，而不是氧气或氮气降低了电池性能。接纳150℃下的热退火处置惩罚一小时后，电阻降至10.3 Ωcm^2，与未袒露在空气中的电池相当。

一家主要电池制造商接纳了新型锂金属袋电池设计，强调了界面的主要性。该电池在锂金属负极上使用了银碳（Ag-C）纳米复合层，以阻止锂枝晶的生长，并提供更大的容量、更长的循环寿命和更高的清静性。只管该电池与高镍层状氧化铝正极和固态硫化物电解质相团结，但要害在于接纳了一种热等静压手艺，以改善电极与电解质之间的接触。这种设计使得电池尺寸只有锂离子电池的一半，同时支持凌驾1000次充电循环的使用寿命。

SCiB

一种名为SCiB的SSB手艺已经投入生产，主要用于48V混淆动力汽车。最新设计的正极接纳锂钛氧化物（LTO），具有精彩的清静性、长寿命、低温性能、快速充电、高输入/输出功率和大有用容量等特点。

这款20Ah-HP SSB电池很是适用于需要高功率输入和输出的重负载应用，以及需要抑制热量并一连事情的场合，例如商用车辆、渡轮的快速充电以及机车车辆的再生动力系统。该电池的尺寸与目今的20Ah产品相同，因此设计职员可以使用相同的�？樽樯兜礁叩氖淙牒褪涑龉β�。

只管该电池的能量密度为84 Wh/kg，与锂离子电池相比尚有一定差别，但它的输入功率是上一代产品（1900瓦）的1.7倍，可以在10秒内抵达50%的充电量，输出功率是上一代产品（1900瓦）的1.6倍。

电池的电阻降低了40%，从而在大电流运行时镌汰了发热。这得益于接纳了一种叫做电纺丝的手艺来制造所谓的“表皮涂层电极”，即在电极外貌笼罩上一层纳米纤维膜。

电纺丝手艺是通过对聚合物溶液施加高压来爆发纤维，适用于建设电池的绝缘层。这种手艺有助于使离子在电解质溶液中顺畅移动，同时坚持质料的原有特征，如耐热性和电绝缘性。

超薄的绝缘膜可以缩短正极和负极之间的距离，具有更高的孔隙率和离子传导性，从而降低了内部电阻。减小绝缘层的厚度尚有助于增添电池的容量，提高输入/输出功率和容量。

电阻的降低使得水冷系统可以被强制空气冷却所取代，这也简化了冷却系统，可以接纳更简朴的自然冷却方法。较低的电阻尚有助于降低过压，使电池在更普遍的充电状态下运行。

由于20Ah-HP电池具有较低的内阻，因此在一连充放电历程中能够有用地抑制发热，因此它的寿命比目今的20Ah电池更长。在测试条件下，该电池经由8000次充放电循环后，容量仍能坚持险些100%，而目今的20Ah电池在相同条件下容量下降了约10%，只管其寿命为20000次循环。与硅锂电池的寿命为500次和更结实耐用的磷酸铁锂（LFP）电池的寿命为2000次相比，20Ah-HP电池体现更精彩。

无负极 SSB

今年投产的另一种要领接纳了“无阳极”结构和专有的固态陶瓷隔膜，以替换古板锂离子电池中使用的聚合物隔膜。通过替换隔膜，古板锂离子电池中使用的碳或硅负极可以被高能量密度的锂金属负极所取代。

在“无负极”结构中，电池是在放电状态下制造的，而负极则是在首次充电时就地形成的。这不但简化了制造历程并降低了本钱，还由于电池中没有预先保存的电荷，使运输越发清静。

隔膜质料必需具备高导电性、与锂金属的稳固性、抗锂枝晶形成的能力以及低界面阻抗。陶瓷自己是不可燃的，因此比古板的聚合物隔膜越发清静，后者是碳氢化合物，可能会燃烧。陶瓷隔膜的结构大部分是专有的，但阻止使用稀土元素并支持一连流制造工艺有助于降低制造本钱。

该手艺的目的是提供每升1000瓦时的能量密度和每千克400瓦时的比能量，这将使汽车的续航里程增添50%-90%，同时在更小的电池组中提供更高的能量。

硫化物电解质

使用硫化物固体电解质与硅负极和古板的NMC阴极相团结，意味着在现有的电池制造中只需改变一个元素。这样生产出的100Ah大容量袋装电池妄想于2024年投入生产，目的是在2028年每年批量生产80万个电池。

这些电池的早期版本容量为2Ah，已通过了标准的钉穿清静测试，并且能够在100%充电时遭受外部短路，也能够在过充电至200%容量时遭受外部短路，而这两种情形都会导致古板锂离子电池失效。

这种电池的比能量为390 Wh/kg，硅负极的能量密度为930 Wh/L，到2024年，锂金属负极的比能量密度将提高到440 Wh/kg。第三代电池的目的是将比能量提高到560Wh/kg，在785Wh/L的更大电池中实现更高的功率性能，接纳不使用镍或钴的新型阴极质料，本钱将低于每千瓦时3美元，比现在远程汽车电池组通常使用的阴极本钱低约90%。

另一种已投入生产的固态电解质质料是因子电解质系统手艺。该手艺已用于40Ah的原型电池，可以在室温下事情，并可替换锂离子袋式电池中的液态电解质，将续航能力提高20-50%。

3D打印

使用陶瓷质料制作电解质还开发了使用增材制造（AM）生产固态电池的途径。UniMelt是一种微波控制等离子体生产系统，用于大批量生产固态电池，接纳高达6000K的温度，可在短短2秒内天生质料，而无需古板制造要领的2-3天。这一手艺取代了本钱高昂且铺张严重的古板制造要领，本钱更低且占地面积更小。

UniMelt手艺可用于制造具有严酷粒度漫衍（PSD）的质料，以获得最大能量密度和电解质的工程孔隙率，还可用于界面改性和钝化的外貌涂层。该手艺可用于制造正极和负极，包括种种NMC变体、NCA、LMO、高压尖晶石、LTO、硅负极以及其他奇异的化学质料。

UniMelt手艺已用于开发NMC正极、LFP、硅主导正极、锂、固态陶瓷电解质和再生正极质料等产品。其中一种质料是锂镧锆氧化物，现在正在研究用于固态电解质。

等离子体要领具有显著的优势。例如，将古板的16 GWh电池正极生产工厂刷新为UniMelt平台可以每年镌汰70%的二氧化碳排放，将用水量从630万桶降低90%，并完全削减每年700万桶的废水爆发量，而所需的工厂规模仅为现有设施的一半。

别的，还开发了3D打印机，用于打印固态电池的差别质料层。这可以镌汰一半的质料用量，使电池的能量密度增添一倍，并且可以在制造汽车的周围而不是遥远的千兆工厂生产电池。不过，这需要开发新型固态电池质料和AM工艺装备。该工艺团结了粉末床和喷射质料沉积，使用的质料包括陶瓷电解质和金属电极，尚有一种名为PoraLyte的专有支持质料。它阻止了差别层悬空部分的限制，能够更快地制造出具有内部通道和空腔的装备，甚至可以在电池内部加入传感器等有源元件。

使用粉末工艺还能更容易地通过古板要领接纳陶瓷和金属。

这种生产手艺可以生产两代固态电池。第一代固态电池类似于现在的袋装电池，使用现有工厂中的质料，在400次充电周期内可使电池容量抵达600 Wh/L。这得益于在电池中使用了30层质料，将电池容量从2.3毫安时提高到3安培。相比之下，正在生产的固态SCiB电池的容量为5 Ah，而现在最先出货的电池容量为20 Ah。

第一代电池最初用于双座和三座电动汽车。一家年产量为2.5兆瓦时的试验工厂将于今年年底投产。

第二代电池接纳AM工艺制造。它的能量密度为1200 Wh/L，寿命周期为几千次循环，放电深度为100%，而不是像现在的电池那样，必需坚持80%到20%的电量。这将使电池组的续航能力增添40%。

第二代电池需要专业的3D打印机和其他一些辅助装备，但其最大的优势是与现有工艺相比，所需的资源装备和加工办法镌汰了30-40%。

一台AM机械每月可生产相当于18万个1860电池，因此30到40台机械相当于一家工厂每年生产1 GWh的电池。

使用三维打印手艺还可以生产出差别形状的固态电池，使其成为汽车结构的一部分。这种电池不需要机械外壳，外部可以用50微米的电解液层密封，使电池的活性子料比例比其他要领高得多，从而再次提高了电池容量。

现在正在开发第三代电池，其高压阴极电压为9 V，而不是4.2 V。该产品将于2023年底举行样品测试，并于2024年投产。

水基电解质

古板的锂离子手艺仍在一直生长，这很可能对SSB的前进爆发影响。水基电解质是其中一项特别的生长，它可以提高锂离子电池的能量密度，而无需在电极中使用镍或钴。由于这些电解质是水基的，因此可以降低短路时起火的危害，并且可以在零下50摄氏度的情形中事情，这是与现有锂离子电池组相比的一个要害优势。一种水性电解质正与阴极设计方面的其他先进手艺相团结，可将性能提高60%，与硅阳极团结可进一步提高性能。然而，这也面临着与SSB相同的挑战，即怎样将其融入到电动汽车批量应用的生产流程中。

结论：

SSB正在推动电动汽车领域的大宗立异。新质料、新结构和新工艺都在一直涌现，它们可以提供更高水平的能量密度和功率，同时比锂离子电池越发清静。然而，将这些手艺推向市场供工程师使用也面临着重大的挑战�？商砑拥较钟猩叩�"半固态"电解质的过渡办法将使下一代高端汽车的电池组性能提高10-20%。然而，新质料带来的更高效的新型制造手艺将促使电池组的设计和制造方法爆发重大转变。这将对地面和空中电动平台的整体设计爆发连锁反应。

要害手艺的刷新需要整合高电压、高容量正极、固体电解质和金属锂等因素。

目今，固态电池研究主要集中在对电池化学因素的明确和评估上。然而，关于电池的整体能量密度，质料选择、电极平衡以及加工和集成要领的评估至关主要。

SolidPAC 可凭证用户提供的化学因素、组件设置和加工参数来估算电池级能量密度。它还提供了举行 "逆向设计 "的途径，以设计电极厚度和负载，以实现能量密度目的。

电池级容量的估算基于用户提供的电池组规模/能量/功率和电池组/�？�/电池设置。这些盘算是从类似于为古板锂离子电池开发的 BatPac 中延续而来的。

结适用户提供的电池级容量、负极和正极结构信息以及库存中的质料信息，可以估算出制造电池所需的质料。然后，使用输入的电池设计参数举行组件尺寸和电池级能量密度的盘算。

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