固態(tài)電池的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案進(jìn)展解讀

多年來(lái)，電池能效越來(lái)越高，但是研究人員仍然致力于繼續(xù)尋找改進(jìn)原始設(shè)計(jì)的方法。在許多日常設(shè)備中，不管它們是可充電的還是植入機(jī)器中的，電池仍然是主要的電源。尤其是電動(dòng)汽車和某些類型的機(jī)器人，都是依靠電池才能正常工作的新興技術(shù)。改進(jìn)電池設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)電池壽命，仍然是重中之重。多所大學(xué)的研究人員正在牽頭進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，而這項(xiàng)技術(shù)的核心，并沒(méi)有發(fā)生太大變化。

固態(tài)電池的改進(jìn)

康奈爾大學(xué)的研究人員最近開(kāi)展了一項(xiàng)研究旨在改進(jìn)固態(tài)電池的設(shè)計(jì)。研究人員從液態(tài)電解質(zhì)開(kāi)始，將其轉(zhuǎn)化為電化學(xué)電池內(nèi)部的固態(tài)聚合物，從而提高了固態(tài)電池的設(shè)計(jì)水平。研究人員利用液體和固體的特性，來(lái)克服當(dāng)前電池設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵限制。這項(xiàng)研究與尋求可充電電池技術(shù)，以安全地為電動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人等下一代產(chǎn)品提供電源的行業(yè)需求不謀而合。

康奈爾大學(xué)的博士后研究員Qing Zhao解釋說(shuō)：“想像一下裝滿冰塊的玻璃杯：有些冰會(huì)接觸到玻璃杯，但是它們之間仍然有空隙。但是，如果您將玻璃裝滿水并將其冷凍，空隙將被完全覆蓋，在玻璃的固體表面與液體之間，建立起牢固的聯(lián)系。在電池設(shè)施中，也有類似的概念，可以幫助離子從整個(gè)電池電極的固體表面上轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)上去，速率很高，而且無(wú)需使用可燃液體。”

該工藝引入了能夠在電化學(xué)電池內(nèi)部引發(fā)聚合反應(yīng)，而不會(huì)損害電池其它功能的特殊分子。如果電解質(zhì)是環(huán)狀醚，則該特殊分子可以設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)，從而產(chǎn)生反應(yīng)性單體鏈，這些單體鏈結(jié)合在一起，形成與醚基本化學(xué)性質(zhì)相同的長(zhǎng)鏈狀分子。這種固體聚合物在金屬界面處保持緊密連接，就像玻璃中的冰一樣。

固態(tài)電解質(zhì)除了提高電池安全性外，還有利于使用包括鋰和鋁在內(nèi)的金屬作為陽(yáng)極的下一代電池，實(shí)現(xiàn)比當(dāng)今最先進(jìn)的電池技術(shù)更多的能量存儲(chǔ)。在這種情況下，固態(tài)電解質(zhì)可防止金屬形成樹(shù)枝狀晶體，而這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池短路并導(dǎo)致過(guò)熱和故障。

盡管具有潛在的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池至今仍未大規(guī)模生產(chǎn)。原因包括高昂的制造成本和早前設(shè)計(jì)中的不良界面性能。由于固態(tài)系統(tǒng)對(duì)熱變化具有較高的穩(wěn)定性，因此可以在一定程度上避免電池冷卻的需要。

康奈爾大學(xué)的這一研究發(fā)現(xiàn)，為制造可用于各種應(yīng)用場(chǎng)景的固態(tài)電池開(kāi)辟了一條全新的道路。制造固態(tài)聚合物電解質(zhì)的策略令人興奮，因?yàn)樗@示出有延長(zhǎng)高能量密度可充電金屬電池循環(huán)壽命和充電能力的希望。

鋰電池中的混合陰極

麻省理工學(xué)院和中國(guó)的研究人員，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了最新的鋰電池關(guān)鍵部件：陰極。此開(kāi)發(fā)活動(dòng)是開(kāi)發(fā)更小、更輕且運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)的電池的廣泛研究的一部分。

研究團(tuán)隊(duì)將其概念描述為“混合”陰極，因?yàn)樗Y(jié)合了兩種現(xiàn)有方法，一種是增加每磅的能量輸出（重量能量密度），另一種是增加每升的能量（體積能量密度）。他們說(shuō)，這種協(xié)同組合的產(chǎn)物，不但兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，還具有更多其它優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在的鋰電池傾向于使用由過(guò)渡金屬氧化物制成的陰極（電池中兩個(gè)電極之一），但硫磺陰極電池被認(rèn)為是最有可能減輕重量的替代方法。如今，鋰硫電池的設(shè)計(jì)人員面臨著一個(gè)權(quán)衡。

這種電池的陰極，通常通過(guò)嵌入型或轉(zhuǎn)換型這兩種制造方式中的一種來(lái)制造。嵌入型，使用諸如鈷酸鋰之類的化合物，可提供較高的體積能量密度——由于其密度高，單位體積可以填充更多。這些陰極可以在將鋰原子結(jié)合到其晶體結(jié)構(gòu)中的同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)和尺寸。

另一種陰極方法稱為轉(zhuǎn)化型，它使用的硫在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了轉(zhuǎn)化，甚至可以暫時(shí)溶解在電解質(zhì)中。

麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)和材料科學(xué)與工程學(xué)教授Ju Li說(shuō)：“從理論上講，這些電池具有非常好的重量能量密度，但是體積密度很低?！币徊糠衷蚴且?yàn)樗鼈冃枰S多額外材料（包括過(guò)量的電解質(zhì)和碳），用于提供導(dǎo)電性。

在混合系統(tǒng)中，研究人員設(shè)法使用兩種方法合成一個(gè)新的陰極，該陰極結(jié)合了一種叫做Chevrel相的硫化鉬和純硫，它們似乎兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。他們使用了兩種材料的顆粒，并將它們壓制成固體陰極。

“就像炸藥中的引爆劑和TNT一樣，一種是速效的，一種是使每單位重量具有更高能量的方法?！盠i說(shuō)。

其它的優(yōu)點(diǎn)包括，組合材料的電導(dǎo)率相對(duì)較高，因此減少了對(duì)碳的需求并相應(yīng)降低了總體積。典型的硫陰極由20％到30％的碳組成，但是新的陰極只需要10％的碳。

使用新材料的最終效果是巨大的。當(dāng)今商用鋰電池的能量密度，約為每公斤250瓦時(shí)和每升700瓦時(shí)，而鋰硫電池的最高能量約為每公斤400瓦時(shí)，但每升只有400瓦時(shí)。Li說(shuō)，最新尚未經(jīng)過(guò)優(yōu)化過(guò)程的初始版本，目前已經(jīng)可以達(dá)到每公斤360瓦時(shí)和每升581瓦時(shí)。它在能量密度方面可以擊敗鋰電池和鋰硫電池。

通過(guò)進(jìn)一步的工作，Li說(shuō)，“我們預(yù)計(jì)可以達(dá)到每公斤400瓦時(shí)和每升700瓦時(shí)，”后者相當(dāng)于鋰電池。與致力于開(kāi)發(fā)大型原型電池的許多實(shí)驗(yàn)相比，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)先行一步：與只測(cè)試容量?jī)H為幾毫安時(shí)的小型紐扣電池相比，他們已經(jīng)生產(chǎn)了三層聚合物電池，標(biāo)準(zhǔn)容量超過(guò)1,000毫安時(shí)的電池，可用于電動(dòng)汽車等產(chǎn)品。這可與某些商用電池相媲美，表明新設(shè)備確實(shí)符合其預(yù)期特性。

使用AI預(yù)測(cè)電池壽命

到目前為止，在失去太多電能以至于無(wú)法正常使用之前，新電池在充放電循環(huán)次數(shù)上還無(wú)法媲美鋰電池。在這種情況下，Li說(shuō)，限制是由于電池設(shè)計(jì)而不是陰極設(shè)計(jì)，并且“我們正在努力研究這個(gè)問(wèn)題?！奔词鼓壳疤幱谠缙陔A段，這對(duì)于某些利基應(yīng)用也可能有用，例如遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)。在這類應(yīng)用中，重量和體積都比壽命重要。

多所大學(xué)正在努力使各種類型的電池更節(jié)能、更安全，以用于工業(yè)和日常應(yīng)用。

如果手機(jī)電池制造商能夠確定哪些電池至少可以使用兩年，那么他們就能把這些電池賣給手機(jī)制造商，剩下的則寄給那些要求較低的設(shè)備制造商。新的研究表明制造商是如何做到這一點(diǎn)的。該技術(shù)可用于對(duì)制造的電池進(jìn)行分類，并幫助新的電池設(shè)計(jì)更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院和豐田研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，綜合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和人工智能相結(jié)合，能夠揭示如何在鋰電池的容量開(kāi)始下降之前，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)電池的使用壽命。

在研究人員用幾億個(gè)電池充電和放電數(shù)據(jù)訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)模型之后，該算法可以根據(jù)早期循環(huán)中電壓下降和其它因素，預(yù)測(cè)每個(gè)電池可以持續(xù)多少個(gè)循環(huán)。

這些預(yù)測(cè)均落在電池實(shí)際持續(xù)周期數(shù)的9％以內(nèi)。該算法可根據(jù)前5個(gè)充電/放電循環(huán)數(shù)據(jù)，將電池的壽命分為長(zhǎng)壽命或短壽命。在95％的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)都是正確的。這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以加速新電池設(shè)計(jì)的研發(fā)，并減少生產(chǎn)時(shí)間和成本。

測(cè)試新電池設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法是實(shí)際將電池充電和放電，直到它們失效為止。由于電池使用壽命長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程可能要花費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)博士Peter Attia說(shuō)，“ 這是電池研究中一個(gè)昂貴的瓶頸。”

Attia說(shuō)新方法具有許多潛在的應(yīng)用。例如，它可以縮短新型電池的驗(yàn)證時(shí)間，這在材料快速發(fā)展的情況下尤其重要。通過(guò)分類技術(shù)，可以將為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)但使用壽命較短的電池改為為路燈或備用數(shù)據(jù)中心供電?；厥丈炭梢詮挠眠^(guò)的電動(dòng)車電池組中找到具有足夠容量的電池，以備再次使用。

另一可能性是優(yōu)化電池制造?！爸圃祀姵氐淖詈笠徊椒Q為‘成型’，這可能需要數(shù)天至數(shù)周的時(shí)間。”Attia說(shuō)，“使用我們的方法，可以大大縮短生產(chǎn)時(shí)間并降低生產(chǎn)成本。”

現(xiàn)在，研究人員正在使用他們的模型來(lái)優(yōu)化電池以期實(shí)現(xiàn)10分鐘內(nèi)充好電的目標(biāo)，他們說(shuō)這將使充電時(shí)長(zhǎng)減少10倍以上。

可充電鋰電池

賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員正在通過(guò)使用固態(tài)電解質(zhì)相間界面（SEI），開(kāi)發(fā)具有更高能量密度、更優(yōu)性能和安全性的可充電鋰金屬電池。隨著對(duì)高密度鋰金屬電池需求的增加，SEI的穩(wěn)定性一直是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。研究人員說(shuō)，由于電池鋰電極表面的鹽層會(huì)絕緣并傳導(dǎo)鋰離子，因此這方面的研究一度停滯。

“這一層非常重要，它是由鋰和電池中電解質(zhì)之間的反應(yīng)自然形成的?！眳⑴c該研究的機(jī)械和化學(xué)工程學(xué)教授Donghai Wang說(shuō)：“但是，它的表現(xiàn)并不很好，這會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。”鋰金屬電池中人們最不了解的成分之一，就是SEI的降解，這可能會(huì)導(dǎo)致樹(shù)突的形成，從而對(duì)性能和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。

“這就是為什么鋰金屬電池不能持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，中間相增長(zhǎng)，并且不穩(wěn)定的原因?！盬ang說(shuō)：“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來(lái)創(chuàng)建更好的SEI。”

由化學(xué)博士Yue Gao領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的增強(qiáng)型SEI是一種反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片組成。

使用化學(xué)和工程設(shè)計(jì)，不同領(lǐng)域之間的合作使該技術(shù)能夠以原子級(jí)層面控制鋰表面。反應(yīng)性聚合物還降低了重量和制造成本，進(jìn)一步加強(qiáng)了鋰金屬電池的美好未來(lái)。

有了更穩(wěn)定的SEI，有可能使當(dāng)前電池的能量密度增加一倍，同時(shí)使它們的使用壽命更長(zhǎng)、更安全。