固態電池介紹及其將如何推動電動車的未來

隨著可再生能源的指數級增長，電動化交通轉型的需求日益凸顯，正驅動人們對於下一代電能存儲技術的關注。目前，鋰離子電池（LIB）被廣泛使用，具有良好的應用前景。這些電池具有使用壽命長、高功率密度、自放電特性低、比重容量高、體積能量大等優點。然而，它們受到原材料可得性、相應成本高以及安全問題的困擾。

另一項新技術是下一代鋰基電池，這是一種被稱作「固態」電池的全新解決方案，有望實現低成本、高性能和高安全性。與普通電池技術相比，使用固體電解質的固態電池不會表現出鋰離子電池的各種缺點，並且由於更好的熱穩定性而能夠耐受更高的工作溫度。這種鋰離子電池的替代品有望提高電動車輛續航里程，減少充電時間，並消除固態電池起火的風險。

那麼，固態電池是否屬於另一項下一代技術，從而會改變電動汽車（EVs）並將人類帶入碳中和社會呢？在這篇部落格中，作者概述了固態電池及其背後的技術。

什麼是固態電池？

20世紀60年代，研究人員提出了第一代固態電池這一概念。然而，由於當時功率密度、加工工藝和成本方面的局限性，限制了固態電池在更廣泛範圍內的應用，固態電解質在很大程度上被擱置一邊，轉而研究以液體電解質系統利用溶解在有機溶劑中的鋰鹽的優越電化學性能。然而，最近固態電解質的發展使人們對該領域重新產生了興趣。

固態電池代表了電池技術方面的範式轉變。在現代鋰電池中，離子通過液體電解質從一個電極移動到另一個電極（也稱為離子電導率）。在固態電池中，液體電解質被一種固體化合物所取代，這種固體化合物仍然允許鋰離子在其中移動。

固態電池不僅由於未採用可燃有機成分而具有更好的自身安全性，而且還提供了對能量密度作出巨大改善的可能性，從而允許在相同體積的電池內存儲更多的能量。
 

相比於常規電池，固態電池有什麼不同之處？

最先進的鋰離子電池由兩個多孔電極（陽極和陰極）和聚合物隔膜組成（如圖1）。離子遷移需要在液體電解質中進行。液體電解質主要由有機溶劑和導電鹽組成。鋰電池面臨的許多問題都可以追溯到液體電解質這一環節。事實上，大多數安全問題都是由溶劑的易燃性引起的。此外，所用溶劑和導電鹽的副反應會導致鋰電池容量衰減和老化。

固態電池用固態隔膜取代了傳統鋰離子電池中使用的聚合物隔膜和電解質。固態隔膜同時充當電絕緣體和離子電導體。這種改進使得傳統鋰離子電池中使用的碳陽極或矽陽極可以被鋰金屬陽極所取代。使用緊湊的固體電解質作為鋰枝晶（常規鋰離子電池在充電過程中在負極上形成的金屬顯微組織）的物理屏障，也使得使用鋰金屬作為陽極材料成為可能。

圖1：鋰離子電池結構（左）與固態電池結構（右）
 

固態電池具有什麼優勢，面臨什麼挑戰？

與常規鋰離子電池相比，固態電池在技術上有幾大優點。其中可能最重要的一點是：固態電池不易燃，因為陰極表面不會形成鋰枝晶，否則會導致短路。短路會導致電池變熱（最好的情況）或爆炸（最壞的情況）。

固體電解質能防止形成鋰枝晶。此外，由於採用了直接堆疊式電池設計，固態電池具有更高的能量密度。固態電池可以使用鋰金屬陽極，從而延長使用壽命，增加電池電壓和容量，從而提高電動車的效能。但重要的是要記住一點，固態電池技術仍處於發展階段，並且，鋰離子電池仍然是迄今為止性能最好的電池技術，其使用了各種各樣的化學物質，每種化學物質可用於不同的目的，很容易獲得並大量生產。
 

固態電池開發的分析技術？

新功能性材料的發明對於推動社會走向碳中和未來的技術進步至關重要。電極材料在新型固態電池技術的發展中起著關鍵的作用。元素週期表中潛在的大量成分對科學界尋找新的固態電池電極構成了巨大的挑戰。固態化學是一門基於元素週期表中隱藏的資訊構建所需原子排列的藝術。

下面我想簡要介紹一下在電池材料分析中應用的各種分析技術：

• 質譜分析法，如ICP-OES和ICP-MS、GC-MS、IC-MS
• X射線光電子能譜分析法（XPS）
• 電子顯微鏡分析法（SEM & TEM）
• 分子光譜法，如FTIR、Raman和NIR
• 微電腦斷層掃描（microCT）
• 核磁共振（NMR）
• X射線衍射法、X射線螢光光譜法
• 電流測定法、粘度測定法和擠出法

點擊這裡瞭解如何在固態電池材料測試中進行元素和結構分析。

點擊這裡瞭解更多關於固態電池材料分析組合的資訊。
 

結論

由於固體電解質具有高得多的熱穩定性，使固態電池成為下一代電池的最佳選擇之一。無機固體電解質可以在惡劣的環境中工作—例如在−50°C~200°C甚至更高的溫度範圍內—有機電解質在這種環境下會由於凍結，沸騰或分解而失效。從理論上講，固態電池能夠取代電動汽車中使用的鋰離子電池。

然而，基礎研究仍在進行中，隨之而來的是生產成本和可擴展性方面的不確定因素和安全擔憂。儘管如此，電池製造商和電動汽車生產商希望在本十年末實現固態電池的商業化應用。為了實現這一目標，需要進行大量的研究和開發工作，以解決嚴重的性能問題。固態電池技術依然有潛力顯著減少電池生產對環境的影響，提高電動車效能，從而提高可持續性、能源儲存和移動性。
 

補充資源

網頁：電池製造化學分析

手冊：電池解決方案手冊——幫助構建更好電池的分析技術

網站：借助Thermo Scientific工具和儀器研發先進的電池技術

網站：用於電池材料測試的元素分析解決方案

網路研討會：PowerUp網路研討會——鋰離子電池分析和測試解決方案

部落格貼文：鋰離子電池製造和品質分析方面的挑戰——第1部分

部落格貼文：鋰離子電池製造和品質分析方面的挑戰——第2部分

部落格貼文：鈉離子電池最終能否取代鋰電池？

出版物：用於開發更好的金屬離子電池的固態化學，《自然·通訊》第11卷，文章編號：4976 （2020）

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