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美国国家航空航天局在固态电池方面取得重大突破

美国国家航空航天局表示，他们在开发航空用固态电池方面取得了突破。根据美国国家航空航天局的网站，美国国家航空宇航局开发的固态电池的能量密度已达到500瓦时/公斤，几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特斯拉的4680锂电池的能量密度为300瓦时/千克。

2021年4月，美国国家航空航天局宣布了其提高固态电池充电效率和安全性的计划（e固态结构电池增强可再充电性和安全性，“SABERS”）。该部门将为电动飞机开发固态电池，其能量密度比现有的液体电解质锂离子电池更高，体积更小，可以在撞击后使用，并且具有较低的火灾风险。

美国国家航空航天局的固态电池被称为硒硫电池，它使用廉价易得的硫作为电解质，以及美国国家航空宇航局以前开发的“多孔石墨烯”材料，这种材料导电且重量轻。由于固态锂电池没有液体电解质，它们降低了液体火灾和爆炸的风险。

 

 

此外，与单个包装的锂离子电池不同，美国国家航空航天局的固态电池将电池堆叠在一个外壳中，将电池重量减轻了30%至40%。

美国国家航空航天局在其新闻稿中表示：“SABERS已经试验了新的电池材料，这些材料在放电方面取得了显著进展。在过去的一年里，该团队成功地将电池的放电率提高了10倍，此后又提高了5倍，使研究人员更接近为大型车辆提供动力的目标。”。据介绍，电动飞机和美国国家航空航天局的先进空中机动计划将是新电池技术的主要受益者。

 

新型固态电池最多可重复使用10000次

据媒体报道，哈佛大学中文教授李昕和学生叶璐涵开发了一种新型固态电池，可重复使用10000次，最快可在三分钟内充电。相比之下，目前最好的固态电池可运行2000至10000次循环。

两人于2021年5月发表的一篇相关论文描述了新型固态电池的原理。在这篇论文中，研究人员报告说，他们制造了一种具有界面稳定性的多层锂金属固态电池，从而在超高电流密度下实现稳定循环，并抑制枝晶渗透。

电池的多层设计的特点是将不稳定的电解质夹在稳定的固体电解质之间，形成“三明治”结构，并通过实现不稳定电解质层中裂纹的良好局部分解，抑制任何锂枝晶的生长。

 

 

如上图所示，从左到右，“三明治”电池结构分布为锂金属负极→ 石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→ 单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（镍锰钴811）正极。

石墨位于锂金属的阳极和第一固体电解质层之间，主要用于隔热。如本文所述，第一种两侧夹入的固体电解质是Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），其特征是对锂金属的性能稳定，但容易发生锂枝晶渗透。它的存在可以稳定锂金属层和石墨层之间的主要界面，并降低整体过电位。

夹在中间的第二电解质是Li10Ge1P2S12（LGPS），其对锂金属的稳定性较差，但不容易穿透锂枝晶。中间电解质可以用Li9.54Si1.74（P0.9Sb0.1）1.44S11.7Cl0.3（LSPS）代替，以获得类似的性能。

锂枝晶可以穿过石墨和第一电解质层，但当它们到达第二电解质层时被拦截。锂金属固态电池通常是重复充放电的，陶瓷颗粒中经常出现微米或亚微米裂纹。

一旦形成裂纹，锂枝晶穿透和短路是不可避免的。夹层中间的固体电解质层防止锂枝晶刺穿整个电池，防止阳极和阴极短路甚至起火。

该技术不仅提高了安全性，而且以金属锂为负极，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2为正极，表现出优异的循环性能。在1.5C（0.64mAcm-2）和20C（8.6mAcm-2）的放电速率下，2000和10000次循环后，容量保持率分别达到81.3%和82%。

此外，该电池的微米级阴极材料可以实现110.6kW/kg的比功率和高达631.1瓦时/kg的比能量。为了进一步推进他们对固态电池的研究，两位研究人员成立了一家名为Adden Energy的电池初创公司。据报道，Adden Energy今年筹集了515万美元。

 

固态电池产业化的难点是什么

固态电池并不是全新的。在传统的液态锂电池中，锂离子从正极到负极再到正极，电池完成充电和放电过程。固态电池以同样的方式工作，但使用固体电解质。

早在2017年，总部位于加利福尼亚州阿纳海姆的美国电动汽车公司Fisker就发布了一项固态电池的专利，该电池可以在一分钟内充电，续航里程为800k。创始人Henrik Fisker表示，该公司的固态电池可能在2023年前准备好大规模生产，价格是传统锂离子电池的三分之一。然而，在2021年，Henrik Fisker宣布他已经完全放弃了固态电池计划。

目前，全球唯一一家将动力固态电池商业化的公司是法国博洛雷集团。2011年10月，博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”中安装BatScap制造的固态电池。共有2900辆电动汽车投入运营。

但固态电池组的容量只有30KWh，能量密度为110Wh/kg。在业内看来，固态锂电池的产业化，从技术层面来看，仍然存在不小的挑战。首先是固体电解质的离子电导率低，尤其是在低温下。其次，电极和电解质的固体界面处的界面电阻较高。

 

 

此外，预锂化硅碳负极或未来的金属锂负极、高镍正极和固态电池用固体电解质等新材料，完全颠覆了当前的液态锂电池体系，生产成本远高于当前相应的材料，降低成本的道路极为艰辛和漫长。

固体电解质材料主要有三种类型：聚合物，如掺杂到PEO中的六氟磷酸锂；氧化物，如锂钢氧化锆（LLZO）、NASICON等。硫化物，如LPSX（X=Cl，Br，I）。在这三种材料路线中，聚合物体系具有高温离子导电性和易于加工的优点。然而，它的离子电导率在室温下非常低，这限制了它的发展。

例如，法国的Bolore固态电池使用聚合物系统。为了让电动车在室温下工作，博乐集团专门为每辆车配备了加热器，在启动前将电池系统加热到60℃至80℃。

氧化物体系的优点是综合性能更好，但电极之间的界面电阻高于聚合物体系。其中，薄膜产品对工艺要求严格，成本和规模化生产难度很大。非薄膜产品是电动汽车最可靠的电池解决方案。

硫化物系统的优点是离子电导率与液体电解质相当，这是日本和韩国公司丰田、本田、三星和中国固态电池公司CATL选择的技术路线。然而，硫化物系统正处于开发的早期阶段，环境限制和安全问题是最大的障碍，不商业化的风险最高。

然而，尽管存在困难，固态电池仍有望成为未来锂电池能量密度和安全性的关键。目前，全球有50多家制造公司、初创公司和大学研究机构正在努力推进固态电池技术。

在欧洲和美国，宝马集团于2022年向总部位于科罗拉多州的固态电池初创公司solid Power投资1.3亿美元，目标是到2025年推出装有固态电池的原型车，并在2030年前大规模生产。

 

 

梅赛德斯-奔驰今年与总部位于马萨诸塞州的固态电池初创公司Factorial Energy达成战略协议，将投资约10亿美元用于固态电池研发。该公司将于2022年开始测试原型，五年内实现低批量生产。

2018年，大众汽车向总部位于硅谷的固态电池初创公司QuantumScape投资了1亿美元，2020年又投资了2亿美元。今年，大众汽车宣布，到2025年，其电动汽车将使用固态电池。

在日本和韩国，丰田于2008年与固态锂离子电池制造商伊利卡合作，计划在2025年前推出固态混合动力汽车。三菱、日产和松下也在加速部署固态电池。据了解，目前，丰田在全球拥有1331项固态电池相关专利，位居世界第一，松下272项位居第二。

在中国，蔚来在去年1月9日的Nio Day上宣布了一款锂能量密度为150Wh/kg的固态电池，计划在2022年第四季度大规模生产。该公司表示，该公司的第一代固态锂离子电池预计将于2025年推出，第二代预计将在2030年后推出。此外，孚能科技、蜂巢和赣锋锂业等中国锂业百强企业也宣布了固态电池的计划。