隨著新一輪的資金投入，Wildcat Discovery Technologies正在積極擴(kuò)建設(shè)備廠，成立電池團(tuán)隊(duì)并加倍投入有前途的固態(tài)電池研究項(xiàng)目。我們?cè)騼?chǔ)能專家請(qǐng)求澄清固態(tài)電池的過度宣傳。
每當(dāng)《充電》雜志需要更好地了解最新的電池技術(shù)的復(fù)雜性或電池材料行業(yè)的細(xì)微差別時(shí)，我們首先會(huì)咨詢Wildcat Discovery Technologies。這批儲(chǔ)能科學(xué)家具有獨(dú)特的行業(yè)視角，因?yàn)樗麄兝米约簩Ｓ械母咄康难芯科脚_(tái)來幫助其他公司，通過快速開發(fā)新材料改進(jìn)電池。Wildcat在尋找更好的電池材料中占領(lǐng)導(dǎo)地位，該公司的組合化學(xué)技術(shù)可以比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室快10倍的速度制造和測(cè)試原型電池，這一過程非常適合優(yōu)化材料，似乎有無限的配方可能性。
其結(jié)果是，Wildcat不僅了解所有頂尖電池化學(xué)組成的深層技術(shù)細(xì)節(jié)，而且對(duì)被認(rèn)為下一代技術(shù)的商業(yè)化時(shí)間線表示有更多期待。
在過去十年中，隨著電池技術(shù)的發(fā)展，Wildcat一直都很忙碌。Wildcat最近完成了一筆超過2千萬美金的新一輪投資，在新的設(shè)備廠升級(jí)實(shí)驗(yàn)室，聘請(qǐng)頂尖電池專家，開始R&D平臺(tái)認(rèn)證，并將其內(nèi)部項(xiàng)目擴(kuò)展到固態(tài)電池技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。
我們偶然發(fā)現(xiàn)在固態(tài)電池技術(shù)中有許多夸張的新聞稿和令人困惑的術(shù)語/概念。所以《充電》近期與Wildcat討論最新的電池研究，其中包括固態(tài)電池的競爭和最高獎(jiǎng)項(xiàng)：一個(gè)固體電解質(zhì)電池鋰金屬陽極。
01
固態(tài)狀態(tài)
目前新能源汽車中使用的大多數(shù)電池都是液態(tài)電解液，但研究人員正在尋找固體替代品有兩個(gè)原因：
1. 液體電解液是易燃的，更換它們將大大提高電池的安全性。
2. 使用新型陽極，固體電解質(zhì)可以獲得更高的能量密度。
在媒體上產(chǎn)生很多混亂，因?yàn)楣虘B(tài)的說法通常用于形容某種當(dāng)前的可用技術(shù)發(fā)展的電池（例如，使用石墨陽極的固態(tài)電解質(zhì)）以及在性能上有飛躍提升到理想型電池（例如，在鋰金屬電池中使用固態(tài)電解質(zhì)）。
隨著技術(shù)不斷推進(jìn)，石墨陽極固態(tài)電池在新能源汽車的應(yīng)用趨近商業(yè)化，而理想型鋰金屬固態(tài)電池仍需要很多年。
Wildcat首席科學(xué)家Dee Strand解釋說道：“固態(tài)電解質(zhì)在電池應(yīng)用中并不新鮮，比如微型固態(tài)電池可能集成在筆記本電腦的電路板或其他電子應(yīng)用中。但是，那些微型固態(tài)電池不適合大尺寸的汽車電池?！?
這些類型的電池大多屬于固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)陽極類別。一些電動(dòng)汽車制造商聲稱，一兩年后，固態(tài)電池將出現(xiàn)在他們的汽車中，這也是事實(shí)。這很可能是石墨陽極設(shè)計(jì)的一些發(fā)展。
明確地說，固態(tài)石墨陽極電池確實(shí)提供了一些很大的優(yōu)勢(shì)，包括提高了安全性。然而，能量密度的提高和成本的節(jié)省通常是遞增的。
真正革命性的進(jìn)步將在固體電解質(zhì)電池鋰金屬陽極準(zhǔn)備商業(yè)生產(chǎn)。
在媒體上產(chǎn)生很多混亂，因?yàn)楣虘B(tài)的說法通常用于形容某種當(dāng)前的可用技術(shù)發(fā)展的電池以及在性能上有飛躍提升到理想型電池。
02
付出努力
開發(fā)可在新能源汽車應(yīng)用固態(tài)電池不是件易事。固態(tài)電解質(zhì)材料必須具有高離子導(dǎo)電性，這樣鋰離子才有快速來回移動(dòng)性；必須具有電極穩(wěn)定性；需要與陽極和陰極形成良好的界面；可大批量生產(chǎn)。尋找一種結(jié)合所有這些特性的固態(tài)電解質(zhì)材料是非常困難的。
2011年，法國運(yùn)輸公司Bolloré推出一款Bluecar，這是一款專為巴黎新能源汽車設(shè)計(jì)的共享服務(wù)。Bluecar采用鋰金屬聚合物（LMP）電池與固態(tài)電解質(zhì)結(jié)合。然而，正如Strand指出，Bluecar在固態(tài)新能源汽車電池上并不是必定能成功的事。
Strand說：“他們使用固體聚合物電解質(zhì)，但是電池必須被加熱到60℃才能使電解質(zhì)工作，而且他們的汽車在車隊(duì)中使用，所以他們受到很好的控制。”
Strand并不了解其他主流汽車制造商在生產(chǎn)汽車使用過固態(tài)電池，但是許多公司都在積極探索這項(xiàng)技術(shù)。例如，豐田對(duì)使用硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池進(jìn)行研究。在去年10月豐田首席技術(shù)顧問Shigeki Terashi告訴Autocar：“我們將生產(chǎn)一款使用固體電池的汽車并在2020年公布，但固態(tài)電池的大批量生產(chǎn)將會(huì)推遲一些。”
Strand說：“硫化物的優(yōu)勢(shì)在于它具有高導(dǎo)電性，缺點(diǎn)是陽極或陰極存在穩(wěn)定性問題，所以必須要有一層保護(hù)涂層。從生產(chǎn)商的角度來講，硫化物也是極具挑戰(zhàn)性的，如果硫化物暴露在潮濕環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，因此硫化物產(chǎn)生的一些安全問題需要解決?！?
固體電解質(zhì)的其他材料包括聚合物和陶瓷。然而，那些解決方案沒有一個(gè)進(jìn)入到新能源汽車的規(guī)模生產(chǎn)，在短期內(nèi)，固體電解質(zhì)的其他材料很可能采用某種形式的石墨陽極取代金屬鋰的階梯式改進(jìn)。
Wildcat企業(yè)發(fā)展副總Jon Jacobs告訴《充電》：“使用傳統(tǒng)石墨陽極電池的固態(tài)電池的價(jià)值主張更加有限，與普通鋰離子電池相比，這種電池在能源方面并沒有真正帶來巨大的改善，但它可能會(huì)帶來一些安全方面的好處。傳統(tǒng)石墨陽極的固態(tài)電池可以成為理想型電池的敲門磚，可以用金屬鋰代替石墨陽極，你將會(huì)取得巨大進(jìn)步。”
03
鋰金屬陽極的挑戰(zhàn)
金屬鋰陽極電池具有較高的理論比容量，可高達(dá)3860mAh/g（是石墨陽極372mAh/g的10倍）；密度低達(dá)0.59g/cm3（石墨陽極的密度是2.26g/cm3，金屬鋰陽極電池較低）。
Jacobs解釋道：“要想在全固態(tài)電解質(zhì)采用金屬鋰是件非常非常難的事，據(jù)我所知，沒有人真正接近使用鋰陽極和固體電解質(zhì)電池來滿足電動(dòng)汽車苛刻要求的商業(yè)應(yīng)用。”
Strand解釋道：“當(dāng)你有一個(gè)鋰金屬陽極，將鋰去掉，然后又一遍一遍地重新鍍上，最終得到的不是一個(gè)完美的金屬鋰，你最終得到的只是看起來像是一堆苔蘚類型、針狀物和有孔隙的東西?！?
不需要的生長被稱為樹突。通過反復(fù)的充電和放電循環(huán)，這些尖的樹枝狀結(jié)構(gòu)形成在鋰金屬的頂部。
“固態(tài)電池的價(jià)值主張采用傳統(tǒng)石墨陽極電池是很局限性的。傳統(tǒng)石墨陽極的固態(tài)電池可以成為理想型電池的敲門磚，可以用金屬鋰代替石墨陽極。
Strand繼續(xù)說道：“這會(huì)產(chǎn)生很多問題，然而，使用鋰金屬和全固體電解質(zhì)，對(duì)于高活性材料來說，你有很大的表面積。你有針狀的樹突，穿透隔膜，使電池短路，一般來說，你的電池不會(huì)持續(xù)很長時(shí)間?！?
鋰陽極的挑戰(zhàn)，加上固體電解質(zhì)的挑戰(zhàn)，使得通往理想固態(tài)電池的道路充滿挑戰(zhàn)。然而，根據(jù)Jacobs的估計(jì)，這些問題可能更容易一次解決一個(gè)?！斑@就是為什么研究人員采取兩種基本途徑來逐步解決這些問題?！?
第一種途徑是上述的固態(tài)電解質(zhì)和石墨陽極法。
第二種方法是使用鋰金屬陽極，但要找到穩(wěn)定的非固體電解質(zhì)——傳統(tǒng)的液體或半固體凝膠。然而，這兩種選擇都不理想。液體電解質(zhì)會(huì)出現(xiàn)枝晶生長，導(dǎo)致低循環(huán)壽命。根據(jù)Jacobs的說法，凝膠狀電解質(zhì)會(huì)好些，但也僅僅是好一點(diǎn)。
Jacobs還說：“凝膠電解質(zhì)是一種固態(tài)電解質(zhì)，但實(shí)際上混合少量的易揮發(fā)的傳統(tǒng)液體電解質(zhì)。然而，當(dāng)你開始把它放進(jìn)去的時(shí)候，你已經(jīng)消除了全固態(tài)電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是安全組件，你可以消除這些不穩(wěn)定的東西。這種解決方案可能會(huì)找到一個(gè)有前途的市場(chǎng)，但并不是主流汽車制造商所期待的?！?
04
Wildcat的研究
在2019年，Wildcat獲得美國能源部（DOE）的資助追求固態(tài)電池技術(shù)。價(jià)值高于122萬美金的資助款有助于Wildcat的內(nèi)部研究項(xiàng)目，由于與合作伙伴合作的項(xiàng)目數(shù)年創(chuàng)紀(jì)錄，Wildcat開始接受那些商業(yè)合同。
Strand說：“有了新的資金資助，我們有能力將高產(chǎn)出工具應(yīng)用于更持久、更大的內(nèi)部?！?
Jacobs補(bǔ)充道：“另外，我們還在美國能源部（DOE）的資助上增加大量自有資金，這現(xiàn)在是Wildcat的一項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目。對(duì)我們來說是一項(xiàng)大型項(xiàng)目?！?
根據(jù)Strand的說法，Wildcat的內(nèi)部研究主要包含三大主要方向。其中兩大方向都是理想型電池的敲門磚：鋰陽極的穩(wěn)定性，開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)材料。能源部的撥款，旨在進(jìn)一步發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)，將用于這些努力。
Strand說：“我們正試圖解決鋰金屬陽極的能源和安全問題。同樣，我們面臨的挑戰(zhàn)是如何剝離和電鍍鋰，而不是以一堆細(xì)枝、苔蘚和多孔材料告終。為此，我們正在嘗試在鋰上添加保護(hù)層，這樣可以將材料固定，通過保護(hù)層仍然可以剝離和鍍鋰。”
關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)，Wildcat正在采取一種將聚合物與陶瓷相結(jié)合的混合方法。
Strand說：“很難找到一種對(duì)固態(tài)電解質(zhì)所有性能都合適的材料。這就是我們?yōu)槭裁磿?huì)選擇復(fù)合材料的原因，挑選性能最好的聚合物與性能最好的陶瓷結(jié)合?！?
Wildcat的第三種途徑是開發(fā)高能無鈷陰極材料，被稱為無序巖鹽陰極。
Strand解釋道：“我們?cè)陉帢O材料商取得很多很好的發(fā)展，像是在提高陰極導(dǎo)電性或功率性能上。我們現(xiàn)在開始通過了解基本失效機(jī)制提高電池循環(huán)壽命?！?
事實(shí)上，Wildcat希望通過這三種途徑看到一個(gè)有鋰陽極和無序巖鹽陰極的固態(tài)電池。Strand說：“但是我們也相信鋰陽極和無序巖鹽陰極都具有很好的市場(chǎng)價(jià)值。”
05
新設(shè)備，新投資，新員工，新商業(yè)模式
Wildcat的研究通過公司的高通量平臺(tái)或HTP推動(dòng)。
Wildcat首席執(zhí)行官M(fèi)ark Gresser解釋道：“我們正在努力解決我們高通量平臺(tái)的能源和安全問題，這是一個(gè)多種不同設(shè)備的組合，可以讓研究人員從材料合成的最初階段一直到全電池組裝和循環(huán)測(cè)試。這是一整套由野貓團(tuán)隊(duì)自己設(shè)計(jì)和制造的定制設(shè)備。這使得我們的科學(xué)家能夠以如此獨(dú)特的方式進(jìn)行研究?！?
2018年，Wildcat更新HTP,與此同時(shí)在將更大的設(shè)備廠轉(zhuǎn)移到圣地亞哥。新設(shè)備廠占地23,000平方英尺，65%的空間容納HTP的幾項(xiàng)改進(jìn)。
Gresser繼續(xù)說道：“我們已經(jīng)有了一個(gè)環(huán)境干燥的房間和一個(gè)電池原型，所以我們現(xiàn)在有能力制作單層電池組和多層結(jié)構(gòu)電池組，這是驗(yàn)證來自我們高通量平臺(tái)的發(fā)現(xiàn)的一個(gè)很好的方法。”
很難找到一種對(duì)固態(tài)電解質(zhì)所有性能都合適的材料。這就是我們?yōu)槭裁磿?huì)選擇復(fù)合材料的原因，挑選性能最好的聚合物與性能最好的陶瓷結(jié)合。
改進(jìn)的HTP還具有更好的自動(dòng)化性能。Strand補(bǔ)充道：“我們有很多自動(dòng)化技術(shù)，但我們都做了大幅度改進(jìn)，更重要的是，我們現(xiàn)在可以通過一個(gè)集中數(shù)據(jù)庫連接起所有的信息?，F(xiàn)在，科學(xué)家們可以通過他們的筆記本控制檢測(cè)設(shè)備。他們可以做所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)行設(shè)備，完成他們之前做不到的實(shí)驗(yàn)?！?
擴(kuò)建設(shè)備廠在Wildcat不是一件唯一的新消息。公司近期還吸引了新投資商，其中有總部位于美國堪薩斯州威奇托的美國科氏工業(yè)集團(tuán) (Koch?Industries)的Flint Hills Resources和新型電池制造商InoBat。
Wildcat的商業(yè)模式是通過利用HTP對(duì)客戶進(jìn)行調(diào)查研究。根據(jù)Jacobs表示，越來越多的客戶簽訂了2-3年的長期協(xié)議。這些新類型的籌備是Wildcat研究的理想選擇，因?yàn)楣镜脑习l(fā)現(xiàn)過程會(huì)開拓很多意想不到的領(lǐng)域。
