熱點(diǎn)追蹤 / 深度探討 / 實(shí)地探訪 / 商務(wù)合作QuantumScape火遍全球背后，人類的希望在固態(tài)電池？
出品| 科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室正如三體中智子對人類科技的封鎖一樣，當(dāng)前人類也面臨科學(xué)與技術(shù)邊界的挑戰(zhàn)。
近期，曾奠定了現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方向與基調(diào)的英特爾不得不承認(rèn)一個(gè)事實(shí)：在原有的納米制程工藝體系下摩爾定律已然失效。對此英特爾不得不開辟新的制程工藝和封裝技術(shù)創(chuàng)新路線——埃米體系。如果半導(dǎo)體是構(gòu)成人類現(xiàn)代文明這座大廈的樓宇智能化系統(tǒng)的話，那么貢獻(xiàn)過5位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的電池則是這座大廈成功運(yùn)行的水電氣，但經(jīng)過幾十年發(fā)展的電池技術(shù)也碰到了技術(shù)與材料的天花板。在尋找新一代電池技術(shù)的道路上，有的選擇在電池材料才尋求突破，從鉛酸電池到磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈉離子電池探索層出不窮；也有的選擇在電池結(jié)構(gòu)上下功夫，小到改良的刀片電池和彈匣電池，大到顛覆傳統(tǒng)的固態(tài)電池，究竟誰才是新一代電池？設(shè)想一下：有一項(xiàng)目前正在接受測試的技術(shù)，當(dāng)它向公眾發(fā)布時(shí)，將成為一場期待已久的能源革命。這項(xiàng)新技術(shù)有望比我們現(xiàn)在市場上的任何產(chǎn)品都更安全、更高效。它將影響我們?nèi)粘ｋS處可見的東西——電動工具、玩具、筆記本電腦、智能手機(jī)——以及我們認(rèn)知中的高科技產(chǎn)物——醫(yī)療設(shè)備、航天器，以及使我們擺脫化石燃料綁架的創(chuàng)新車輛設(shè)計(jì)。這種描述可能聽起來很像核聚合能源（fusion power），然而它實(shí)際上指的是電池技術(shù)領(lǐng)域已走到商業(yè)前夕的新型電池——固態(tài)電池（solid-state batteries）。實(shí)際上，固態(tài)電池的概念并不是什么新鮮事，早在1834邁克爾·法拉第（Michael Faraday）便發(fā)現(xiàn)了固態(tài)電解質(zhì)硫化銀和氟化鉛，不過直到20世紀(jì)90年代橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室才開發(fā)了一種制造薄膜鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)，后續(xù)Bolloré、Sakti3、NGK、Solid Power均斷斷續(xù)續(xù)推出過相關(guān)產(chǎn)品，不過大眾最看好的（包括索羅斯）還是QuantumScape，據(jù)悉其已解決了枝晶難題。 傳統(tǒng)電池的液體電解質(zhì)和固態(tài)電池的固體電解質(zhì)電池?zé)o非是儲存化學(xué)能并將其轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它們有四個(gè)主要部分：陰極、陽極、電解質(zhì)和隔膜。陰極和陽極是電極。當(dāng)電子從一個(gè)電極傳遞到另一個(gè)電極時(shí)，就會產(chǎn)生電流。在這種情況下，電子從帶負(fù)電的陽極傳遞到帶正電的陰極。然后，兩個(gè)電極的作用是產(chǎn)生我們的電流。電解質(zhì)溶液允許帶正電的離子在兩個(gè)電極之間流動。這平衡了電子的流動。最后，隔膜將兩個(gè)電極分開并防止電池短路。我們目前的電池和未來的固態(tài)電池之間有一個(gè)重要的區(qū)別：電解質(zhì)。當(dāng)前的鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)。不幸的是，液體電解質(zhì)中存在的某些化合物允許被稱為枝晶（dendrites）的晶體結(jié)構(gòu)的生長。枝晶會產(chǎn)生長而鋒利的晶須，可以刺穿隔板并導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)的爆炸。淺灰色晶體結(jié)構(gòu)是在鋰電極內(nèi)部形成的枝晶 而固體電池則舍棄了液體電解液，用固體電解質(zhì)（可分為有機(jī)物/聚合物與硫化物、氧化物等無機(jī)物）代替了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。一旦電解質(zhì)從液體轉(zhuǎn)換為固體就會發(fā)生令人震驚的事情：電池具有更高的能量密度，火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)大大降低，占用空間更小，并且能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。以明星固態(tài)電池公司QuantumScape的技術(shù)路線為例，其采用的無負(fù)極制造工藝，鋰金屬負(fù)極不是在電池制造過程中形成的，而是在電池充電時(shí)由鋰離子在金屬箔片聚集而形成的，且該過程可逆，能實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)。同時(shí)無負(fù)極還去掉了石墨/硅的等主體材料，能夠顯著提高電池的體積能量密度至1000Wh/L，質(zhì)量能量密度至500Wh/Kg，消除了負(fù)極主體材料中鋰離子的擴(kuò)散瓶頸，可以實(shí)現(xiàn)4C充電倍率；除此之外還使用陶瓷材料的固態(tài)分離器代替了液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)以及多孔隔膜，由于材料本身不可燃，起到了屏障的作用，即使在非常高的電流密度下，能抵抗負(fù)極鋰枝晶的形成，解決了鋰電池因枝晶而導(dǎo)致內(nèi)短路的業(yè)界難題。固態(tài)電池固然完美，但對于優(yōu)先考慮商業(yè)化落地的企業(yè)來說，當(dāng)前最需要的反而是一種能夠立刻戳到到消費(fèi)者核心痛點(diǎn)的電池，而鈉離子電池便其中的優(yōu)選方案。鈉離子電池仍然屬于我們所熟知的液體電池，鈉離子電池也主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、外殼組成。不過鈉離子電池其放電過程與鋰離子電池有所差異，鋰離子電池是通過鋰離子在正負(fù)極之間移動、轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)放電，而鈉離子電池則是通過鈉離子在正負(fù)極之間的嵌入、脫出實(shí)現(xiàn)放電。與固態(tài)電池一樣，鈉離子電池也不是什么最新的概念。1976年，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）在研究二次電池時(shí)不僅發(fā)現(xiàn)TiS2能夠進(jìn)行Li的嵌入和脫出，同時(shí)也能夠進(jìn)行Na的嵌入和脫出，不過由于負(fù)極采用的為并不穩(wěn)定的金屬鋰，而由于堿金屬較高的反應(yīng)活性，因此導(dǎo)致界面穩(wěn)定性差，同時(shí)由于充放電過程中的枝晶生長問題，加之鋰電池逐漸商用，因此采用金屬鋰負(fù)極的鈉離子電池始終未能得到廣泛的應(yīng)用。 不過隨著研究的深入，鈉離子電池正負(fù)極材料也有了新的進(jìn)展，目前主要有以英國Faradion公司為代表的氧化物正極和硬碳負(fù)極1-5Ah軟包電池，采用聚陰離子正極的圓柱形電池的法國公司Tiamat，采用Cu氧化正極和無煙煤制備的硬碳負(fù)極體系的HiNa公司（普魯士藍(lán)路線）。鋰離子電池和鈉離子電池在電池設(shè)計(jì)上幾乎沒有差異，唯一的區(qū)別體現(xiàn)在集流體上。鋰離子電池中負(fù)極采用Cu箔作為集流體，正極采用Al箔作為集流體，而鈉離子電池正負(fù)極都可以采用鋁箔作為集流體，可以使電池更輕薄，更重要的是不用擔(dān)心負(fù)極銅箔氧化而造成儲能效率的衰降，電池循環(huán)上千次后仍然能保持80.9%的容量。圖片來源：《車用鋰離子電池放電區(qū)間與容量衰減關(guān)系的研究》當(dāng)然鈉離子電池最大的優(yōu)勢還是充電速度與安全性上，在頂部針刺實(shí)驗(yàn)中，鈉離子電池10min最高溫度僅為130℃，而鋰離子電池的初始溫度便高達(dá)165℃，自加熱過程中10min最高溫度達(dá)260℃，鈉離子電池具有更好的熱穩(wěn)定性。同時(shí)由于鈉離子相較于鋰離子斯托克斯直徑更小，在相同濃度電解液具有更好的導(dǎo)電率，故像寧德時(shí)代等廠商宣傳其快充能夠?qū)崿F(xiàn)15分鐘充電80%。但鈉離子電池?fù)Q來了速度卻丟失了密度，目前鈉離子電池的能量密度在70—200Wh/Kg，遠(yuǎn)低于能量密度240—350Wh/Kg的鋰離子電池，同時(shí)鈉離子電池目前充電、放電循環(huán)次數(shù)也僅在3000-4000次（理論循環(huán)次數(shù)10000次），較LEP鋰電池也存在一定差距。 中金對鈉離子電池的點(diǎn)評為：鈉離子電池短期影響無憂，長期不改鋰需求剛性。總的來說，短期內(nèi)鋰電池仍然會占據(jù)我們大部分手機(jī)、電腦、汽車，而鈉離子電池看似在安全性、快充等消費(fèi)者最在意的點(diǎn)上具備優(yōu)勢，但其電池能力密度要追上鋰電池仍需3-5年。而固態(tài)電池目前進(jìn)展迅速，美國私營創(chuàng)業(yè)公司 Solid Power 已經(jīng)在生產(chǎn)多層固態(tài)電池了，QuantumScape、豐田、特斯拉也將在2025年大規(guī)模商業(yè)化固態(tài)電池，在安全性、快速特性、能量密度等多個(gè)方面都趨于完美的固態(tài)電池距我們生活并不那么遙遠(yuǎn)。 以特斯拉為例，其2014年與松下合建超級工廠開始在電池領(lǐng)域布局，并在2016年與鋰電池研究團(tuán)隊(duì)Jeff Dahn簽訂技術(shù)供應(yīng)協(xié)議，2019年特斯拉又收購了超級電容公司Maxwell，掌握了干電極技術(shù)和超級電容技術(shù)，2020年特斯拉啟動代號為Roadrunner的電池項(xiàng)目，與澳大利亞、美國等礦產(chǎn)巨頭達(dá)成合作解決原料問題，特斯拉已完成原材料布局、電池基礎(chǔ)研發(fā)、電芯制造到產(chǎn)線建立所有工作，預(yù)計(jì)2025年可實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池上車。固態(tài)電池的應(yīng)用影響是巨大的、方方面面的。以電動汽車為例，迄今為止，電動汽車的最大缺點(diǎn)是其行駛里程有限。一輛普通的電動汽車充滿電后可行駛150-600公里。根據(jù)車輛是在車站充電還是在家中使用標(biāo)準(zhǔn)插座，為車輛充滿電需要 1 小時(shí)到 17 小時(shí)不等。雖然目前電動汽車有諸多不便和限制，但大眾仍一直認(rèn)為電動汽車將主導(dǎo)汽車行業(yè)，不過前提是制造商需要將航程擴(kuò)大到至少800 公里，同時(shí)不增加消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。 那如果使用固態(tài)電池呢？ 公司可以選擇制造更小、更輕、充電速度更快的電池，讓電池保持相同尺寸但容量更大，續(xù)航里程可增加54%、充電時(shí)間也縮短至 15 分鐘。同時(shí)，據(jù)特斯拉計(jì)算，使用固態(tài)電池電池成本可減少56%、單位投資額可減少69%，而且電動車在低溫環(huán)境也不會趴窩。而對于筆記本電腦和智能手機(jī)而言，這意味著設(shè)備可以在單次（5min）充電后使用3-5天，甚至一周，電池的整體壽命也可從 2 年增加到 10 年甚至以上。而醫(yī)療設(shè)備這些需要靠著固定電源的設(shè)備，也可變得更加便攜和緊湊……目前固態(tài)電池不僅引起了特斯拉的注意，而且傳統(tǒng)汽車廠商大眾汽車、福特汽車、寶馬汽車、現(xiàn)代汽車、豐田汽車均在固態(tài)電池的研究上投入了數(shù)十億美元。比爾蓋茨支持的公司 QuantumScape 已經(jīng)制造出帶有陶瓷層的固態(tài)電池，這些陶瓷層能夠抵抗枝晶生長并且能夠在較低溫度下運(yùn)行。豐田計(jì)劃到 2025 年限量發(fā)布配備固態(tài)電池的汽車。然而，最令人激動的消息來自于你我可能從未聽說過的人——約翰·古迪納夫 (John Goodenough)。CeraCharge 制造的米粒大小的固態(tài)電池
據(jù)悉，前不久古迪納夫領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)提交了一種玻璃混合陶瓷材質(zhì)固態(tài)電池的專利，該電池穩(wěn)定、不易燃、充電速度更快，并且其能量存儲是普通鋰離子電池的 3 倍，其體積甚至可以做到米粒大小。值得注意的是，該電池價(jià)格實(shí)惠，而且可持續(xù)超過 2000 次充電和放電循環(huán)，玻璃電池的工作溫度范圍介于-20o C 和 60o C之間，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大有可為。1894年尼古拉·特斯拉贏得了“電流之戰(zhàn)”，將人類拉入了璀璨的電氣時(shí)代，如今固體電池、鈉離子電池百花齊放又將把人類帶入一個(gè)怎樣的時(shí)代呢？我們不妨讓子彈再飛一會。「科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室」 科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室 青投創(chuàng)新旗下新型科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺，原硅谷密探，科技轉(zhuǎn)化第一站，科學(xué)家ceo的搖籃。 970篇原創(chuàng)內(nèi)容 公眾號
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