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(guò)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(lái)幫助其他公司，通過(guò)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(guò)程非常適合優(yōu)化材料，似乎有無(wú)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(guò)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(guò)2千萬(wàn)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(yǔ)/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(jìng)爭(zhēng)和最高獎(jiǎng)項(xiàng)：一個(gè)固體電解質(zhì)電池鋰金屬陽(yáng)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(yáng)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(shuō)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(yáng)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(yáng)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(shuō)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(yáng)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(yáng)極設(shè)計(jì)的一些發(fā)展。
明確地說(shuō)，固態(tài)石墨陽(yáng)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(yáng)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(shuō)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(lái)回移動(dòng)性；必須具有電極穩(wěn)定性；需要與陽(yáng)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(guó)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(shuō)：“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(guò)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(wèn)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(shuō)：“硫化物的優(yōu)勢(shì)在于它具有高導(dǎo)電性，缺點(diǎn)是陽(yáng)極或陰極存在穩(wěn)定性問(wèn)題，所以必須要有一層保護(hù)涂層。從生產(chǎn)商的角度來(lái)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(wèn)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(yáng)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(yáng)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(lái)巨大的改善，但它可能會(huì)帶來(lái)一些安全方面的好處。傳統(tǒng)石墨陽(yáng)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(yáng)極，你將會(huì)取得巨大進(jìn)步?！?
03
鋰金屬陽(yáng)極的挑戰(zhàn)
金屬鋰陽(yáng)極電池具有較高的理論比容量，可高達(dá)3860mAh/g（是石墨陽(yáng)極372mAh/g的10倍）；密度低達(dá)0.59g/cm3（石墨陽(yáng)極的密度是2.26g/cm3，金屬鋰陽(yáng)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(yáng)極和固體電解質(zhì)電池來(lái)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(yáng)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(lái)像是一堆苔蘚類型、針狀物和有孔隙的東西?！?
不需要的生長(zhǎng)被稱為樹突。通過(guò)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(yáng)極電池是很局限性的。傳統(tǒng)石墨陽(yáng)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(yáng)極。
Strand繼續(xù)說(shuō)道：“這會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，你的電池不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。”
鋰陽(yáng)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(wèn)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(lái)逐步解決這些問(wèn)題。”
第一種途徑是上述的固態(tài)電解質(zhì)和石墨陽(yáng)極法。
第二種方法是使用鋰金屬陽(yáng)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(zhǎng)，導(dǎo)致低循環(huán)壽命。根據(jù)Jacobs的說(shuō)法，凝膠狀電解質(zhì)會(huì)好些，但也僅僅是好一點(diǎn)。
Jacobs還說(shuō)：“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(guó)能源部（DOE）的資助追求固態(tài)電池技術(shù)。價(jià)值高于122萬(wàn)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(shuō)：“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(guó)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(lái)說(shuō)是一項(xiàng)大型項(xiàng)目?！?
根據(jù)Strand的說(shuō)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(yáng)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(shuō)：“我們正試圖解決鋰金屬陽(yáng)極的能源和安全問(wèn)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(guò)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(shuō)：“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(wú)鈷陰極材料，被稱為無(wú)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(guò)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(guò)這三種途徑看到一個(gè)有鋰陽(yáng)極和無(wú)序巖鹽陰極的固態(tài)電池。Strand說(shuō)：“但是我們也相信鋰陽(yáng)極和無(wú)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(guò)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(wèn)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(shuō)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(lái)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(guò)一個(gè)集中數(shù)據(jù)庫(kù)連接起所有的信息?，F(xiàn)在，科學(xué)家們可以通過(guò)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(guó)堪薩斯州威奇托的美國(guó)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(guò)利用HTP對(duì)客戶進(jìn)行調(diào)查研究。根據(jù)Jacobs表示，越來(lái)越多的客戶簽訂了2-3年的長(zhǎng)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(guò)程會(huì)開拓很多意想不到的領(lǐng)域。
