作為下一代CeraCharge材料開發(fā)的固態(tài)電池單體。圖片來源：TDK官網(wǎng)
科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣
電力的發(fā)現(xiàn)改變了世界，催生了一系列讓人們的生活更安全、更健康、更高效、更愜意的發(fā)明。而電池則將這一發(fā)現(xiàn)推向了新高度，為人們提供了一種儲(chǔ)存電力并用以驅(qū)動(dòng)移動(dòng)設(shè)備的方式。
目前，鋰離子電池在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，但更安全、容量更高的固態(tài)電池可能會(huì)成為未來世界的動(dòng)力源泉，甚至可能幫助人類擺脫氣候變化帶來的影響。
從小型電池入手
目前，已有少數(shù)小型固態(tài)電池在某些手表和醫(yī)療植入物中投入使用。
日本電子制造商TDK宣布已成功研發(fā)出新版CeraCharge固態(tài)電池。其單元體積能量密度高達(dá)每升1000瓦時(shí)，約為TDK傳統(tǒng)固態(tài)電池能量密度的100倍。TDK并未透露太多關(guān)于該電池專有技術(shù)的細(xì)節(jié)，但已表明其采用了鋰合金陽極和基于氧化物的固態(tài)電解質(zhì)，這使其“極為安全”。
新版CeraCharge電池的儲(chǔ)能能力預(yù)示著，更長續(xù)航或更緊湊設(shè)計(jì)即將成為現(xiàn)實(shí)。此外，這款電池有望成為能量密度高的一次性紐扣電池的可充電替代品。
TDK初步規(guī)劃將該電池應(yīng)用于無線耳機(jī)、助聽器及智能手表等小型電子產(chǎn)品，同時(shí)表達(dá)了向智能手機(jī)等更廣闊市場進(jìn)軍的愿望。
“隨著電池面積的增加，制造均勻且高密度的結(jié)構(gòu)變得越來越困難，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋和變形等結(jié)構(gòu)缺陷?！盩DK能源開發(fā)部科長佐藤宏司表示，“TDK計(jì)劃先從小型電池入手，積累生產(chǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，再逐步探索大型電池的商業(yè)化潛力。”
逐步邁向產(chǎn)業(yè)化
當(dāng)前，盡管鋰離子電池在成本效益與性能上取得了顯著進(jìn)步，但其充電時(shí)長限制、續(xù)航里程焦慮及安全隱憂仍成為阻礙電動(dòng)汽車全面替代內(nèi)燃機(jī)汽車的關(guān)鍵障礙。在此背景下，固態(tài)電池作為電動(dòng)汽車技術(shù)革新的利器，正從研發(fā)階段逐步邁向產(chǎn)業(yè)化。
2023年，豐田攜手日本能源公司出光興產(chǎn)，宣布將于2027年至2028年啟動(dòng)固態(tài)電池生產(chǎn)。
同樣看好固態(tài)電池的還有梅賽德斯-奔馳公司。該公司認(rèn)為，固態(tài)汽車電池可提供的續(xù)航里程幾乎是鋰離子電池的兩倍，他們計(jì)劃在2030年前將這種電池投入量產(chǎn)。
最近，大眾汽車旗下電池公司PowerCo與美國全固態(tài)電池開發(fā)商QuantumScape達(dá)成戰(zhàn)略合作，引入固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)，旨在每年生產(chǎn)滿足多達(dá)100萬輛電動(dòng)汽車所需的電池。
QuantumScape的獨(dú)特技術(shù)結(jié)合了固體與液體電解質(zhì)，有效規(guī)避了枝晶問題，并有望將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程從現(xiàn)有的500多公里提升至800公里，這將進(jìn)一步推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
為電網(wǎng)儲(chǔ)能助力
當(dāng)前，鋰離子電池是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，但固態(tài)電池以其卓越的安全性、更長的循環(huán)壽命及更高的能量密度，被視為潛在的更優(yōu)解。不過，固態(tài)電池的大規(guī)模應(yīng)用尚需克服大尺寸電池制造成本高與工藝復(fù)雜等難題。
美國蜻蜓能源公司是嘗試解決這一問題的公司之一。2023年，該公司獲得了一項(xiàng)制造技術(shù)專利，有望為電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域固態(tài)電池的制造掃除技術(shù)障礙。與此同時(shí)，美國電池制造商ION存儲(chǔ)系統(tǒng)公司已于今年4月啟動(dòng)新工廠，專注于生產(chǎn)采用陶瓷電解質(zhì)和鋰金屬陽極的固態(tài)電池，滿足電網(wǎng)存儲(chǔ)、電動(dòng)汽車等多個(gè)領(lǐng)域需求。其目標(biāo)是到2028年將產(chǎn)能擴(kuò)大到0.5吉瓦時(shí)。
材料形態(tài)多樣化
盡管配備固態(tài)電池的電動(dòng)汽車可能還需要幾年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，甚至可能需要更長時(shí)間才能助力構(gòu)建清潔電力網(wǎng)絡(luò)，但這項(xiàng)技術(shù)從科研象牙塔穩(wěn)步邁向工業(yè)化令人鼓舞。
今年1月，美國哈佛大學(xué)研究人員推出了一種陽極中含有硅的固態(tài)電池，該電池可在10分鐘內(nèi)完成充電。7月底，丹麥研究人員報(bào)告稱，他們開發(fā)了一種由巖石中發(fā)現(xiàn)的礦物質(zhì)制成的無鋰固態(tài)電池，其固態(tài)電解質(zhì)材料廉價(jià)、高效、環(huán)保，性能比固態(tài)鋰基電解質(zhì)更好。
只要?jiǎng)?chuàng)新浪潮持續(xù)涌動(dòng)，未來的世界將見證固態(tài)電池技術(shù)以多樣化的材料形態(tài)，賦予電動(dòng)汽車更持久的“生命力”、馳騁更遠(yuǎn)的征途，更將助力電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)前所未有的清潔與穩(wěn)定，引領(lǐng)人類邁向一個(gè)更加綠色、高效的能源新時(shí)代。
