記者/森寧

近日，美國航空航天局（NASA）表示其研發的航空用固態電池取得了重大突破。

NASA在其官方網站介紹，NASA目前所研發成功的固態電池的能量密度達到了500Wh/kg，幾乎是目前最好的電動汽車電池能量密度的兩倍——特斯拉公司的4680鋰電池的能量密度約爲300Wh/kg。

2021年4月，NASA宣佈其改進固態電池充電效率和安全性項目（e Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety，“SABERS”）部門將爲電動飛機研發固態電池，相較於現有的液態電解質鋰離子電池，其具有更高能量密度，電池體積更小，受到衝擊後能夠繼續使用，起火風險也會更低。

據瞭解，NASA的固態電池爲硫硒電池，其電解質材料利用廉價並易獲得的硫，電池還利用了 NASA 此前研發的“多孔石墨烯”材料，導電性好，質量也較輕。由於固態鋰電池沒有液體電解液，因此降低了液體起火爆炸風險。

此外，在電池的封裝上，與普通鋰離子電池單個封裝不同，NASA的固態電池在單個外殼內將電芯堆疊在一起，這種方法使得電池重量減少了30%-40%。

“SABERS對電池的新材料進行了試驗，這些材料在放電方面取得了顯著進展。在過去的一年裏，該團隊成功地將電池的放電率提高了10倍，其後又提高了5倍，使研究人員距離爲大型車輛提供動力的目標更近了一步。”NASA在其新聞稿中表示。

據介紹，電動飛機和NASA的先進空中機動項目將是新電池技術的主要受益者。

站上風口的固態電池

無獨有偶，最近，另外一則關於固態電池的消息也引發了公衆廣泛關注。

據國內多家媒體報道，來自哈佛大學的華人教授李鑫與其學生葉露涵，研發的新型固態電池可重複使用1萬次，充電速度最快3分鐘，相較而言，目前最好的固態電池循環次數爲2000—3000次。

兩人於2021年5月發表在《自然》（www.nature.com）雜誌上的相關論文介紹了這種新型固態電池的原理。研究者在論文中表示，其製備了一種具有界面穩定性的多層結構鋰金屬固態電池，從而實現了在超高電流密度下穩定循環且抑制枝晶滲透現象。

電池多層設計特點在於將不穩定的電解質夾在穩定的固態電解質之間，構成了“三明治”結構，且通過在不穩定的電解質層中實現裂紋良好的局部分解，抑制了任何鋰枝晶的生長。

據上圖所示，從左到右，“三明治”電池結構分佈爲鋰金屬負極→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（鎳錳鈷811）正極。石墨介於鋰金屬負極和第一層固態電解質之間，主要用於隔熱。

據論文描述，夾在兩邊的第一層固態電解質爲Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），特點在於對鋰金屬表現較爲穩定，但容易發生鋰枝晶穿透。它的存在能夠穩定鋰金屬和石墨層的主要界面，並降低整體過電位。

夾在中間的第二層電解質爲Li10Ge1P2S12（LGPS），對鋰金屬的穩定性較差，但不易發生鋰枝晶穿透。中間的電解質可換成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS)，也能獲得類似的性能表現。

鋰枝晶可以穿過石墨和第一層電解質，但到達第二層電解質時被攔截。通常的鋰金屬固態電池反覆多次充放電，陶瓷顆粒中會頻繁產生微米或亞微米級裂紋。裂紋一旦形成，鋰枝晶穿透及短路現象就難以避免。“三明治”中間的這層固態電解質，讓鋰枝晶無法刺穿整個電池，從而避免了電池正負極發生短路甚至起火。

不僅在安全性上得以提升，該技術以鋰金屬作爲負極，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作爲正極構成展現了優異的循環性能。其在1.5C（0.64mAcm-2）和20C（8.6mAcm-2）的放電倍率條件下，循環2000次和10000次之後，容量保持率達到81.3％和82%。此外，電池的微米級正極材料能夠實現110.6千瓦/千克的比功率和高達631.1瓦時/千克的比能量。

爲了進一步推進對固態電池的研究，兩名研究者已經成立了一家電池初創公司——Adden Energy ，葉露涵擔任首席技術官。據報道，今年，Adden Energy融資515萬美元（約3570萬元人民幣）。

固態電池上車有何之難？

放眼全球，固態電池並不是一個全新的產物。傳統的液態鋰電池中，鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池完成充放電過程。固態電池的原理與之相同，只不過其電解質爲固態。

早在2017年，總部設在加州安納海姆的美國電動汽車公司Fisker發佈了一項固態電池專利，充電1分鐘，續航800公里。創始人Henrik Fisker表示，該公司的固態電池會在2023年量產，價格只有傳統鋰電池的三分之一。然而2021年，Henrik Fisker表示，已徹底放棄固態電池計劃。

目前，全球範圍內唯一實現動力固態電池商業化的是法國博洛雷集團（Bollore Group）。2011年10月，博洛雷集團開始在其自主研發的電動汽車“Bluecar”和電動巴士“Bluebus”上搭載由BatScap製造的固態電池，共投入2900輛電動車。但這款固態電池包的容量只有30KWh，能量密度僅有110Wh/kg。

在業內人士看來，固態鋰電池的產業化，從技術層面來看，依然存在不小的挑戰。

首先是固態電解質的離子電導率較低，特別是在低溫環境中。其次是電極—電解質的固固界面處的界面電阻大。此外，固態電池採用的預鋰化硅碳負極或未來的金屬鋰負極、高鎳正極、固態電解質等新材料，完全顛覆當前的液態鋰電池體系，生產成本遠高於目前對應的材料，降本之路極其艱鉅漫長。

據瞭解，目前固態電解質材料有三種主流體系：聚合物，例如將六氟磷酸鋰摻雜到PEO中；氧化物，如鋰鋼鋯氧化物（LLZO），NASICON等；和硫化物，如LPSX(X=Cl,Br,I)。

這三種材料路線中，聚合物體系的優點是高溫離子電導率高，方便加工。但它在室溫下離子電導率極低，制約了其發展。例如法國博洛雷牌固態電池就選用了聚合物體系，爲了讓電動車能在室溫下正常工作，博洛雷集團特意爲每輛車配載了加熱器，發動前將電池系統升溫至60℃至80℃。

而氧化物體系的優點是綜合性能佳，但電極之間的界面電阻高於聚合物體系。其中薄膜型產品對工藝技術要求苛刻，成本與規模化生產難度很大。非薄膜型產品是目前最可靠的電動汽車電池解決方案。

硫化物體系的優點是離子電導率堪比液態電解質，這也是日韓公司豐田、本田、三星和中國電池巨頭寧德時代選擇的技術路線。但硫化物體系的開發進度處於最初級，生產環境限制和安全問題是最大的阻礙，無法商業化量產的風險也最高。

儘管難度重重，然而，在追求未來鋰電池能量密度和安全性的道路上，固態電池仍然被寄予了厚望。據瞭解，目前，全球範圍內約有50多家制造企業、初創公司和高校科研院所在致力於固態電池技術的推進。

歐美方面，寶馬集團2022年向總部位於美國科羅拉多州的固態電池初創公司Solid Power投資了1.3億美元，計劃2025年前推出搭載固態電池的原型車，2030年前實現量產。

梅賽德斯-奔馳公司今年與美國馬薩諸塞州固態電池創業公司Factorial Energy達成了戰略協議，將對其投資約10億美元金額支持固態電池研發，並於2022年開始測試原型車，五年內實現小批量產。

大衆集團在2018年向位於美國硅谷的固態電池初創公司公司QuantumScape注資1億美元，2020年又追加2億美元。今年，大衆集團宣佈會在2025年在其電動車輛上使用固態電池。

日韓方面，豐田公司在2008年就與固態鋰電池創企伊利卡（Ilika）展開了合作，其計劃在2025年推出採用固態電池的混合動力汽車。三菱、日產、松下等企業也都加速了固態電池佈局。據瞭解，目前豐田公司擁有固態電池全球相關專利1331項，居全球第一，松下272項位居第二。

國內方面，蔚來汽車在去年1月9日的Nio Day上發佈鋰能量密度爲150Wh/kg的固態電池，其計劃2022年第四季度實現量產。寧德時代方面此前表示，公司第一代固態鋰電池的能量與目前的鋰離子電池大致相同，預計2025年推出，第二代固態電池有望在2030年後推出。除此之外，孚能科技、蜂巢能源、贛鋒鋰業等國內企業也都宣佈了固態電池的佈局。