蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，隨著減少碳排放的需求日益迫切，人們迅速轉(zhuǎn)向電氣化交通，并擴大在電網(wǎng)上部署太陽能和風(fēng)能。如果這些趨勢持續(xù)升級，對更好的電能儲存方法的需求將會增強。

（圖片來源：MIT）

麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程學(xué)副教授Elsa Olivetti表示：“大規(guī)模開發(fā)基于網(wǎng)格的存儲技術(shù)至關(guān)重要。然而，對于移動應(yīng)用，尤其是交通領(lǐng)域，很多研究都集中于改良目前的鋰離子電池，使其更安全、更小，在單位體積和重量內(nèi)存儲更多的能量?！?/p>

雖然傳統(tǒng)鋰離子電池不斷改進，但仍存在一些局限性，部分原因在于其結(jié)構(gòu)。鋰離子電池中包含正負極和電解液。這種設(shè)計的問題之一在于，在一定的電壓和溫度下，電解液易于揮發(fā)，并引發(fā)火災(zāi)。另一問題在于鋰離子電池不太適合用于車輛。大而重的電池組會占據(jù)空間，同時增加車輛總重，并降低燃料效率。事實證明，在保持能量密度(即每克重量儲存的能量)的同時，很難使現(xiàn)有鋰離子電池變得更小、更輕。

為了解決這些問題，研究人員嘗試制造全固態(tài)電池，用薄的固態(tài)電解質(zhì)取代電解液。這種電解質(zhì)可以在較大的電壓和溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。同時，采用高容量正極，以及比通常使用的多孔碳層薄得多的鋰金屬負極。這使電池可以在縮減尺寸的同時保持儲能能力，從而實現(xiàn)更高的能量密度。

研究人員Kevin Huang博士表示：“提升安全性和能量密度，被視為固態(tài)電池的兩個潛在優(yōu)勢。然而，這只是一種預(yù)期，不一定會實現(xiàn)?！北M管如此，研究人員還是在努力尋找能夠?qū)崿F(xiàn)這些愿景的材料和設(shè)計。

思考實驗室之外的問題

研究人員已在實驗室中提出了很多有潛力選項。但是，考慮到緊迫的氣候變化挑戰(zhàn)，有必要多考慮一些實際因素。Olivetti表示：“在實驗室里，我們的研究人員總是用一些指標來評估可能的材料和工藝?！崩鐑δ苣芰统浞烹娝俾?。在進行既必要又重要的基礎(chǔ)研究時，這些指標是適當?shù)?。“但如果要實現(xiàn)目標，我們建議針對快速擴展?jié)摿?，增設(shè)一些指標?！?/p>

基于目前業(yè)界對鋰離子電池的經(jīng)驗，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員和加州大學(xué)伯克利分校(University of California at Berkeley)的Gerbrand Ceder教授提出了三個大范圍問題，幫助確定所選擇的材料對于未來擴大規(guī)模的潛在制約因素。

首先，對于這種電池設(shè)計，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，材料可用性、供應(yīng)鏈或價格波動會成為問題嗎？(請注意，采礦規(guī)模擴大帶來的環(huán)境和其他問題，不在本研究范圍內(nèi)。)

其次，用這些材料制造電池是否會涉及困難的制造步驟，在這些步驟中部件可能會失效？

第三，基于這些材料生產(chǎn)高性能產(chǎn)品，所采取的制造措施，最終會降低還是提高電池的生產(chǎn)成本？

為了證明他們的方法，Olivetti、Ceder和Huang研究目前正在探討一些電解質(zhì)的化學(xué)成分和電池結(jié)構(gòu)。他們求助于以前的研究成果，以選擇樣品。研究人員曾使用文本和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，來收集文獻中報告的材料，以及細節(jié)處理信息。從該數(shù)據(jù)庫中，研究人員選擇了幾個常見選項。

材料和可用性

在固態(tài)無機電解質(zhì)的世界里，主要有兩種材料。一種是氧化物，其中含有氧；另一種是硫化物，其中含有硫。研究人員在每一類別內(nèi)都專注于一種有前景的電解質(zhì)選項，并檢測其中的關(guān)鍵元素。

研究人員考慮的硫化物是LGPS，其中含有鋰、鍺、磷和硫。同時，考慮到可用性，重點關(guān)注鍺，這種元素通常不單獨開采，而是在煤炭和鋅開采期間產(chǎn)生的副產(chǎn)品。

為了調(diào)查其可用性，研究人員著眼于過去60年間在煤炭和鋅開采期間鍺的年產(chǎn)量，以及其實際最大可生產(chǎn)量。結(jié)果表明，即使在最近幾年，鍺的產(chǎn)量也有可能超過現(xiàn)有產(chǎn)量的100倍?？紤]到這種供應(yīng)潛力，擴大生產(chǎn)基于LGPS電解質(zhì)的固態(tài)電池，不太可能因鍺的可獲得性而受限。

對于研究人員所選擇的氧化物L(fēng)LZO（其中含有鋰、鑭、鋯和氧），情況看起來不那么樂觀。關(guān)于提取和加工鑭的數(shù)據(jù)有限，因此研究人員并沒有充分分析其可用性。其他三種元素儲量豐富。然而，在實踐過程中，必須添加少量的另一種元素（稱為摻雜劑），以使LLZO易于處理。因此，研究小組將重點放在了最常用的摻雜劑鉭上，作為LLZO中的主要考慮元素。

鉭是開采錫和鈮的副產(chǎn)品。歷史數(shù)據(jù)顯示，與鍺的情況相比，在錫和鈮開采過程中的鉭產(chǎn)量，更加接近其潛在最高產(chǎn)量。因此，對于擴大LLZO電池規(guī)模來說，鉭的可獲得性更需要考慮。

了解一種元素的地球儲量，并不代表解決了開采等問題。研究人員探討關(guān)鍵元素供應(yīng)鏈的后續(xù)問題，如開采、加工、提煉和運輸?shù)?。假設(shè)可以大量供應(yīng)，相應(yīng)的供應(yīng)鏈是否也可以迅速擴大，以滿足不斷增長的電池需求。

在樣品分析中，研究人員關(guān)注，鍺和鉭供應(yīng)鏈需要達到多大的年增長率，才能為預(yù)期中的2030年電動汽車車隊提供電池。例如，有觀點認為，對2030年的電動汽車車隊來說，需要生產(chǎn)足夠的電池，提供總共100千兆瓦時的能量。僅依靠LGPS電池來實現(xiàn)這一目標，鍺的供應(yīng)鏈需要年增長50%。相比來說，因為過去的最大增長率約為 7%。僅使用LLZO電池，鉭的供應(yīng)鏈需要增長約30%，遠高于約為10%的歷史高位。

這些例子說明，在評估不同固態(tài)電解質(zhì)的擴展?jié)摿r，考慮材料可獲得性和供應(yīng)鏈的重要性?！凹词垢N一樣，無法獲得材料的可用數(shù)量，為了適應(yīng)未來的電動汽車生產(chǎn)，可能也需要以前所未有的速度擴展供應(yīng)鏈中的其他步驟?！?/p>

材料和加工

在評估電池設(shè)計的擴展?jié)摿r，另一需要考慮的因素是制造過程的難易程度，及其對成本的影響。制造固態(tài)電池需要很多步驟，任何一步出現(xiàn)失誤都會導(dǎo)電池生產(chǎn)成本提高。如同Huang所說：“你不會運輸那個壞掉的電池，你會把它們?nèi)恿?。但是，你已?jīng)付出了材料、時間、加工過程和金錢?！?/p>

研究人員在數(shù)據(jù)庫中尋找故障率對選定固態(tài)電池設(shè)計總成本的影響。在一個例子中，他們專注于氧化物 LLZO。LLZO非常脆，在制造過程中經(jīng)過高溫，用于高性能固態(tài)電池的足夠薄的大片材，很可能會出現(xiàn)破裂或翹曲。

為了確定這些故障因素對成本的影響，研究人員對組裝LLZO基電池的四個關(guān)鍵工藝步驟進行了建模。在每一步中，都根據(jù)假設(shè)成品率計算成本，也就是加工成功而沒有失敗的總部件的比例。使用LLZO時的產(chǎn)量，遠遠低于其他研究設(shè)計。隨著產(chǎn)量下降，每千瓦時電池能量的成本顯著上升。例如，在最后的正極加熱步驟中，多出5%的部件故障，成本就增加了約$30/kWh，考慮到此類電池的普遍接受目標成本為$100/kWh，這是個不小的數(shù)值。顯然，制造難易度可能對大規(guī)模采用設(shè)計的可行性產(chǎn)生深遠影響。

材料和性能

設(shè)計全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)之一來自于界面膜。在運行或制造過程中，這些界面材料變得不穩(wěn)定?！霸尤チ瞬辉撊サ牡胤剑姵匦阅荛_始下降?！币虼?，大多數(shù)研究致力于提出在不同電池設(shè)計中穩(wěn)定界面的方法。很多方法確實有助于提高性能。然而，采用這些方案通常需要耗費材料和時間，在大規(guī)模生產(chǎn)時，使電池成本上升。

為此，研究人員首先研究了氧化物L(fēng)LZO，旨在通過在LLZO電解質(zhì)和負極之間插入薄錫層，來穩(wěn)定兩者之間的界面。同時，分析實施該解決方案對成本的正負面影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，添加錫隔層，可以提高儲能能力，并提升性能，從而降低單位成本。但加入錫層的成本超過了節(jié)約成本，從而使最終成本高于原成本。

在另一項分析中，研究人員著眼于名為LPSCI的硫化物電解質(zhì)，其中含鋰、磷和硫，以及一點添加的氯。在這個例子中，正極中包含電解質(zhì)材料顆粒，通過這種方式，可以確保鋰離子找到通過電解質(zhì)進入其他電極的途徑。然而，這些添加的電解質(zhì)顆粒無法與正極里的其他粒子兼容，從而產(chǎn)生另外一種界面問題。在這種情況下，標準的解決方案是添加粘合劑，通過另一種材料，使粒子粘合在一起。

分析表明，沒有粘合劑的情況下，LPSCI基電池的性能很差，其成本高于$500/kWh。加入粘合劑后，可以明顯提升電池性能，成本幾乎下降至$300/kWh。在這個例子中，在電池制造過程中增加粘合劑的成本很低，不影響總體成本下降。

研究人員對文獻中提到的其他有前景固態(tài)電池進行了類似研究，其結(jié)果是一致的：所選擇的電池材料和工藝，不僅影響實驗室的近期結(jié)果，還會影響為滿足未來需求規(guī)模制造固態(tài)電池的可行性和成本。研究結(jié)果還表明，綜合考慮可用性、加工需求和電池性能這三個因素，具有重要意義，因為可能涉及集體效應(yīng)和權(quán)衡問題。

通過該團隊的方法，可以探討一系列問題。但是，研究人員強調(diào)，這并不是要取代實驗室中用于指導(dǎo)材料和工藝選擇的傳統(tǒng)指標?！芭c之相反，這是通過廣泛觀察各種可能阻礙擴展進程的因素，來擴充這些指標?！?/p>

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