你将学习:
- 电池技术的两个革命性新发展。
- 在40ah固态电池原型上成功测试。
- 更高容量的锂金属电池。
简陋的电池曾经被认为是一项成熟(即乏味)的技术，现在却成为创新和投资的温床，因为新的存储技术正在竞争，看谁将引领全球经济向充满活力的基于可再生能源的经济转型。最近的两项发展使这一领域更加引人注目。
第一个是太平洋西北国家实验室该公司宣布将大幅改进传统的锂离子电池结构。第二件事是，一家从事固态存储技术的初创公司走出了隐形模式，宣布了一款似乎是高容量商业产品的原型。如果它们被证明是可行的，这些发展可能是我们需要的工具箱的一部分，我们需要为子孙后代快速跟踪经济去碳化。
固态的推进
固态电池该技术用固体材料取代锂离子电池中的凝胶或液体电解质，有望实现更高的功率密度和更长的寿命，但这是一项相对较新的技术。一些公司,包括坚实的力量就像锂离子电池在成为商业商品之前所经历的那样，他们正在掌握陡峭的学习曲线。
现在,能量!该公司宣布，其成功测试了一款具有40安培小时(Ah)容量的原型机。该公司的40-Ah固态电池技术的容量保持测试结果被Factorial誉为一个“突破”，称在25°C条件下的第一轮电池周期行为测试表明，在675个周期后，电池的容量保持率达到了97.3%。
阶乘说，电池系统是与世界上几家最大的汽车原始制造商和电池制造商联合开发的。然而，当40ah电池在2021年4月下旬与其析因电解质系统技术(FEST)一起公布时，一些细节被披露。
该公司表示，其专有的固体电解质材料能够使电池的高电压和高能密度电极具有安全可靠的性能。它还声称，FEST比传统的锂离子技术更安全，因为它用更安全、更稳定的固态电解质取代了可燃液体电解质，从而抑制了锂金属阳极上锂枝晶的形成。
阶乘表示，由于这些特性，基于FEST的电池平台在不牺牲电池组寿命的情况下，行驶里程提高了20-50%。此外，它们超越了现有的电动汽车电池性能标准，包括能量密度、循环寿命和安全性。
这些充满希望的电池性能结果暗示了该技术的潜力，也表明该公司离商业化产品又近了一步。与此同时，该公司表示，正与几家汽车制造商积极讨论支持电动汽车电池的研究和制造。
Factorial和它的竞争对手似乎正朝着在十年内使固态电池成为商业现实的方向迈进。作为报道了电子设计去年年底，Solid Power宣布了与宝马集团和福特的类似合作关系，两家公司将从2022年开始获得100ah电池，用于即将上市的汽车的资质测试和开发。这些汽车制造商已经达成协议，将在2030年到来的电动汽车中使用这项技术。
旧电池的新电极
虽然从长远来看，固态电池可能会取代“湿式”锂离子电池，但传统锂离子电池技术的不断改进(如美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)最近的一项新技术)能否延长其市场主导地位，仍是一个问题。
PNNL的研究一直集中在“锂金属电池”(与今天的锂离子电池相比)上，它用锂取代了传统锂离子电池中用于电极的碳。长期以来，锂离子电池一直被认为可以提供两倍于广泛使用的锂离子电池的能量，而且更轻。然而，到目前为止，实验室中的锂金属电池一直被一种被称为“早死”的现象所困扰，这导致它们只能维持今天锂电池的一小部分充电周期和货架寿命。
由太平洋西北国家实验室的科学家们进行的这项研究旨在改进锂基电池，并以一种新的、更高容量、更长的寿命的全锂电池结构的形式获得了回报。据6月28日的报道《华尔街日报》自然能源他们的锂金属电池拥有350瓦特小时每公斤(Wh/kg)的能量密度，可循环使用600次，同时保留76%的初始容量。
这种寿命的提高很大程度上要归功于一种新的阳极结构，它可以制造出极薄、精确沉积的锂线阵列，大约20微米宽。由此产生的结构能够产生非常高的能量密度，并且能够抵抗锂金属化学的失效模式(详见下面的“为什么厚度很重要”)。
然而，在这项技术能够商业化之前，还有很多工作要做。虽然PNNL的锂金属电池的容量比目前电动汽车使用的锂离子电池大得多，但其600次循环的使用寿命却比目前至少持续1000次循环的电池组短得多。但是，如果该团队在过去几年中持续不断的改进，这项技术应该在固态电池技术到来之前就做好了商业化的准备。
就在四年前，一种锂金属电池还处于试验阶段，可以循环使用50次。两年前，太平洋西北国家实验室团队完成了200次循环，现在达到了600次。此外，PNNL电池是一种小袋电池，比硬币电池更能反映现实情况，硬币电池是许多电池研究项目中使用的一种不太现实的设备。
金属锂:薄锂条寿命更长
太平洋西北国家实验室的团队找到了一种方法，通过开发一种独特的不易发生故障的结构来增加电池的寿命。研究小组没有使用含有更多锂的阳极，而是使用了仅20微米宽的非常薄的锂条，比人类头发的宽度还要细得多。
“许多人认为，更厚的锂可以使电池的循环时间更长，”肖杰(音)说，他与该研究所的主任刘军(音)共同撰写了这篇论文电池500联盟创新中心．但这并不总是正确的。根据电池的能量和设计，每个锂金属电池都有最佳厚度。”
为什么厚度问题
该团队决定尝试更薄的锂条，这是基于他们对阳极分子动力学的详细了解。在解释的自然能源纸科学家们发现，较厚的电池条直接导致电池故障。这是由于阳极上的膜周围发生了复杂的反应，称为固体电解质间相(SEI)。
SEI是锂和电解质之间副反应的副产物。这个区域扮演着重要的“看门人”的角色，允许某些分子从阳极到电解液再返回，同时阻止其他可能破坏电池化学性质的分子进入。对于研究人员来说，创造一种SEI来减少或消除电解液和锂金属之间有害的副反应是一个重要但又难以实现的目标。
该团队发现，较薄的锂条擅长创造所谓的“好的SEI”，而较厚的锂条有更高的机会有助于被认为是“有害的SEI”。在他们的论文中，研究人员使用了术语“湿SEI”和“干SEI”。湿版保持液体电解质和阳极之间的接触，使重要的电化学反应成为可能。
另一方面，干燥的结构，防止液体电解质到达所有的锂。他们发现，当锂条较厚时，电解液需要流到金属的更深处，这样一来，锂的其他部分就会干燥。这阻止了重要反应的发生，有效地抑制了必要的电化学反应，并直接导致电池过早死亡。
要查看上图的实际效果，请单击在这里．
在干燥SEI条件下形成的不必要的反应类似于煎锅如何逐渐建立一层油脂，如果每次使用后不彻底清洗。随着时间的推移，这一层形成并起到屏障的作用，减少了能量的流动，使表面的效率降低。同样，一个不需要的、干燥的SEI层会阻止电池内部所需能量的有效传递。
电解质饥饿是一个重要的问题，特别是在现实的电池例如袋形电池，其可用电解质的数量比实验用的硬币电池少20到30倍。在太平洋西北地区国家实验室研究小组目前工作的基础上，预计进一步的改进将稳步增加后续几代细胞的寿命，使它们达到可以商业化的程度。
关于Battery500
这项新研究是通过能源部的电池500联盟创新中心这是一项由PNNL领导的多机构努力，旨在开发比目前使用的电池更轻、更耗能、更便宜的电动汽车电池．PNNL是该联盟的领导者，负责将合作机构的最新进展集成到被称为高能袋电池的设备中，并在现实条件下展示改进的性能。
多亏了电池500联盟(Battery500 Consortium)，锂金属电池的发展取得了实质性进展。其目标是增加长时间、安全、经济的电池的能量。每磅材料的能量越多，汽车就越轻，一次充电就能走得更远。今天的电动汽车电池在200-250 Wh/kg左右;Battery500的目标是电池容量达到500wh /kg。
2019年诺贝尔化学奖得主、论文合著者、宾汉姆顿大学杰出教授M.斯坦利·惠廷汉姆表示:“电池500联盟在提高能量密度和延长循环寿命方面取得了巨大进展。”但还有很多工作要做。特别是，必须解决锂金属电池的安全问题。这正是Battery500团队正在努力解决的问题。”
这项工作由能源部能源效率办公室和可再生能源汽车技术办公室资助。大部分用于评估电池的显微镜是在EMSL中完成的环境分子科学实验室，位于太平洋西北国家实验室的能源部科学办公室用户设施。
除了Liu, Xiao和Whittingham，作者还包括太平洋西北国家实验室的科学家牛超江，刘典英，Joshua Lochala, Cassidy Anderson, Cao Xia, Mark Gross, Wu Xu和Ji-Guang (Jason) Zhang。肖和刘在华盛顿大学也有任命。
