半固态电池迈进一步:含有凝胶电解质的电池

本月早些时候，中国宣布将向一项基金注资60亿元人民币（约合8.26亿美元），该基金旨在刺激该国领先的电池制造商开发固态电池。固态电池使用玻璃、陶瓷或固体聚合物材料的电解质，而不是当今绝大多数电动汽车 （EV） 电池中的液态锂盐。它们备受期待，因为它们的能量密度是带有液体电解质的电池的三到四倍，在其生命周期内提供更多的充放电循环，并且更不容易受到偶尔导致锂电池着火的热失控反应的影响。

但中国对未来电池的投资不太可能加快大规模生产和在量产车上使用的时间表。正如IEEE Spectrum在1月份指出的那样，在短期内在量产车中寻找固态电池是不现实的。Spectrum当时咨询的专家“注意到对这些公告的技术优点持怀疑态度。没有人能孤立出地平线上的任何东西，这表明固态技术可以摆脱未来的工程和'生产地狱'。

“在这一点上说，任何一种电池和任何一个国家在电池研发方面的投资将在未来占据主导地位，这是完全不正确的。—STEVE W. MARTIN，爱荷华州立大学

要实现电动汽车固态电池的规模化生产，首先需要在性能、寿命和车辆推进的相对成本方面验证现有的固态电池技术，这些技术现在正用于其他要求较低的应用。研究人员仍然必须确定这些电池如何随着年龄的增长而吸收和保持电荷并提供电力。他们还需要提供证据，证明玻璃或陶瓷电池可以承受在颠簸道路上行驶时带来的刺耳，并证明它可以承受偶尔的挡泥板弯曲。
半固态电池来了

与此同时，当全世界都在等待固体电解质将液体推到一边时，中国电动汽车制造商蔚来汽车和电池制造商微狮新能源科技有限公司（WeLion New Energy Technology Co.）合作，在市场上争夺第三种选择：带有凝胶电解质的半固态电池。

CarNewsChina.com 在4月份报道说，WeLion电池的能量密度为每公斤360瓦时。完全封装后，电池的额定密度为 260 Wh/kg。与磷酸铁锂电池相比，这仍然是一个显着的改进，磷酸铁锂电池的密度最高为160 Wh / kg。上个月，蔚来汽车在上海、成都和其他几个城市对蔚来电动汽车进行了测试，微狮电池组一次充电可行驶超过1000公里。蔚来汽车表示，计划从本月开始在其汽车阵容中推出这种新型电池。

但是，中国政府的慷慨解囊，以及蔚来汽车与世界雄狮的合作，试图率先将半固态电池投入量产车，这不应该成为过早地将电动汽车推进游戏称为对中国有利的诱惑。

艾姆斯的爱荷华州立大学材料科学与工程教授史蒂夫·W·马丁（Steve W. Martin）如是说。Martin的研究领域包括用于固态锂电池的玻璃固体电解质和用于锂电池的高容量可逆阳极，他认为固态电池是未来，混合半固态电池很可能是液态电池和固态电池之间的过渡。然而，他说，“在这一点上说，任何一个电池和任何一个国家在电池研发方面的投资将在未来占据主导地位，这是完全不正确的。马丁解释说，“现在有太多不同种类的固态电池正在开发中，其中没有一个具有明确的技术领先优势。
半固态电池的优势

使半固态电池优于传统电池的主要创新是半固态电解质，它们的名字由此而来。与液体电解质一样，凝胶电解质含有离子导体，例如锂盐，但它们悬浮在凝胶基质中的方式支持更有效的离子电导率。增强离子从电池一侧到另一侧的传输，促进了电流在相反方向上的流动，从而形成一个完整的电路。这在充电阶段很重要，因为该过程比在带有液体电解质的电池中发生得更快。凝胶的结构还可以抵抗树突的形成，树突是充电过程中在阳极上形成的针状结构并导致短路。此外，凝胶的挥发性低于液体电解质，因此不易着火。

虽然半固态电池无法达到固体电解质电池的预期能量密度和寿命，但它们在短期内处于优势地位，因为它们可以在传统的锂离子电池生产线上制造。同样重要的是，它们已经过测试，现在可以使用，而不是在某个未知的日期。

半固态电池可以在传统的锂离子电池生产线上制造。

除了WeLion之外，还有几家公司正在积极开发半固态电池。包括宁德时代、比亚迪在内的中国著名电池制造商，以及国有汽车制造商一汽集团和上汽集团，与微狮一样，都是中国在国内推进下一代电池技术计划的受益者。另外，2009年在中国赣州成立的初创公司Farasis Energy正在与梅赛德斯-奔驰合作，将先进电池商业化。
固态电池的前进之路

美国初创公司QuantumScape表示，其正在开发的固态锂金属电池将提供约400 Wh / kg的能量密度。该公司指出，其电池消除了传统锂离子电池中出现的充电瓶颈，其中锂必须扩散到碳颗粒中。因此，QuantumScape 的先进电池将允许在 15 分钟内将 10% 的电量从 10% 快速充电到 80%。这还有很长的路要走，但这家总部位于硅谷的公司今年3月宣布，它已开始将其原型Alpha-2半固态电池运送给制造商进行测试。

丰田是一群不打算对冲赌注的公司之一。这家汽车制造商无视反对者，计划到2027年将固态电池商业化，据称这将使电动汽车一次充电可行驶1,200公里，并允许10分钟的快速充电。它将其乐观归因于解决耐久性问题的突破。对于像Solid Power这样的公司来说，它也是固态或萧条。Solid Power旨在将具有专有硫化物基固体电解质的锂电池商业化，该公司已与主要汽车制造商福特和宝马合作。ProLogium Technology也在为固态电池的推出做准备，该公司声称将于今年开始提供将陶瓷氧化物电解质与无锂软阴极（能量密度超过500 Wh / kg）相结合的电池。该公司与梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）合作，今年早些时候在台湾桃园开设了世界上第一家千兆级固态锂陶瓷电池工厂，表明了对其时间表的信心。