電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）從事增強(qiáng)可充電性和安全性的固態(tài)結(jié)構(gòu)電池項(xiàng)目（SABERS）的研究人員，在研發(fā)一種創(chuàng)新型電池組時(shí)取得突破性進(jìn)展，該電池組比現(xiàn)有的電池產(chǎn)品更輕、更安全、性能也更好。

NASA研發(fā)這款電池，是希望將其應(yīng)用在航空領(lǐng)域中來(lái)，比如電動(dòng)飛機(jī)與空中交通等。今年4月份，NASA宣布與日產(chǎn)達(dá)成戰(zhàn)略合作，攜手開(kāi)發(fā)新型全固態(tài)電池，取代目前的鋰離子電池。

固態(tài)電池能量密度提升至500Wh/kg

從NASA公開(kāi)的數(shù)據(jù)來(lái)看，新款研發(fā)的電池為固態(tài)硫硒電池，相比鋰電池而言，體積更小、能量密度更高、重量更輕、承受高溫能力更強(qiáng)，以及在受到?jīng)_擊之后仍可以繼續(xù)使用等特點(diǎn)。

并且由于該款電池主要采用硫元素，該元素在自然界中產(chǎn)量豐富，因此獲取價(jià)格低廉。市場(chǎng)中，一噸硫精礦的價(jià)格在1000元左右，而下品位在28%的初級(jí)硫精礦價(jià)格僅要50元/噸，而硒元素價(jià)格則在10萬(wàn)元/噸左右。相比之下，如今一噸鋰礦價(jià)格在18萬(wàn)元左右。

不僅是成本優(yōu)勢(shì)，由于采用了新型材料，該材料尚未用于電池制作中，這些材料在功率放電上也有巨大的提升。過(guò)去一年中，SABERS團(tuán)隊(duì)成功將電池的放電率提高了50倍，這樣一來(lái)，該電池為大型車輛提供動(dòng)力的目標(biāo)更進(jìn)一步。

并且由于采用固態(tài)電池，與普通鋰離子電池不同，由于內(nèi)部沒(méi)有液體因此在耐熱性、安全性上有了巨大提升。相比于液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，固態(tài)電池采用固態(tài)的不可燃電解質(zhì)代替電解液，從根本上解決了電池起火的安全隱患。

外包裝上，SABERS團(tuán)隊(duì)使用了新型的電池包裝，將所有電池垂直堆放在同一外殼內(nèi)，不僅能夠減輕電池30%-40%的重量，并且可以增加儲(chǔ)存的能量。

通過(guò)這種設(shè)計(jì)，該固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了驚人的500Wh/kg。要知道特斯拉的4680電池單體能量密度為300Wh/kg，電池組能量密度為217Wh/kg，即便是寧德時(shí)代新發(fā)布的第三代CTP麒麟電池，能量密度也才255Wh/kg。

意味著目前NASA所研發(fā)的固態(tài)電池已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前最先進(jìn)的鋰離子電池，同時(shí)，SABERS團(tuán)隊(duì)研究人員在對(duì)電池進(jìn)行壓力和溫度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運(yùn)行，因此無(wú)需額外的冷卻技術(shù)。

近年來(lái)，中國(guó)也對(duì)固態(tài)鋰電池做出了相應(yīng)規(guī)劃，例如在2020年由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提到，固態(tài)電池研發(fā)力度加大，并布局全固態(tài)鋰離子和鋰硫電池等新體系電池開(kāi)發(fā)。

值得注意的是，其中提出電池總體目標(biāo)為高比能電池在2025年達(dá)到350Wh/kg，2030年達(dá)到400Wh/kg，2035年達(dá)到500Wh/kg。以此來(lái)看，NASA的固態(tài)電池已經(jīng)提前十年達(dá)成了中國(guó)業(yè)界的目標(biāo)。

固態(tài)電池能否成為主流？

NASA研究電池時(shí)間并不短，為了解決太空中持久的電力供應(yīng)問(wèn)題，NASA需要長(zhǎng)期可靠的電力系統(tǒng)來(lái)探索太陽(yáng)系，這也成了其研究電池的推動(dòng)力。

為此NASA研發(fā)除了放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（GTR，也可以簡(jiǎn)稱為核電池），而該系統(tǒng)所需的原材料便是钚-238的氧化物。后續(xù)又采用了基于方鈷礦材料制作的核電池，采用新材料的核電池要比原有的電池電量多上25%。

NASA在電池技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，也吸引了許多車廠的目光。比如日產(chǎn)便與NASA合作，共同開(kāi)發(fā)應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的固態(tài)電池，目標(biāo)是制造出15分鐘能充滿電的固態(tài)電池。如今NASA的新款固態(tài)電池研發(fā)的出現(xiàn)，意味著距離其既定目標(biāo)已經(jīng)不遠(yuǎn)。

但縱觀市場(chǎng)會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，在電動(dòng)汽車中，液態(tài)電池仍然占主流，最多不過(guò)是半固態(tài)電池，固態(tài)電池遲遲未得到商用，原因在哪里呢？

一方面在于成本，當(dāng)前制造固態(tài)電池生產(chǎn)環(huán)境極端嚴(yán)苛，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜繁瑣，并且最終良品率極低。有多低呢，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，某北京企業(yè)的半固態(tài)電池生產(chǎn)線良品率低于50%，而純固態(tài)電池的良品率可想而知。

要知道在液態(tài)電池中，目前特斯拉的4680平均生產(chǎn)良品率為92%，而這已經(jīng)是相當(dāng)?shù)偷乃?。由于低良率?dǎo)致的高成本，讓特斯拉大量采購(gòu)寧德時(shí)代的方形電池，并且占比越來(lái)越大，以降低自身的制造成本。

對(duì)于固態(tài)電池的成本，日產(chǎn)方面認(rèn)為目前在75美元/kWh，到2028年以后，這一成本將降至65美元/kWh，屆時(shí)搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車成本將與燃油車成本大致相同。

即便不考慮成本問(wèn)題，并且固態(tài)電池極大提升功率密度與使用壽命，但在實(shí)際使用過(guò)程中，其表現(xiàn)卻仍未能令人滿意。由于電解質(zhì)變?yōu)榱斯虘B(tài)，其內(nèi)部的導(dǎo)電性有所下降，并且固態(tài)電池的內(nèi)阻會(huì)消耗大量能量，使固態(tài)電池在低溫或室溫條件下輸出的電流和功率偏低，但在高溫環(huán)境下反而表現(xiàn)較好。

上文中提到，NASA方面透露，新型固態(tài)電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運(yùn)行，但卻沒(méi)有說(shuō)明在室溫下固態(tài)電池的表現(xiàn)如何。如果性能下降，那么就與動(dòng)力電池使用的普遍場(chǎng)景相違背。

不過(guò)即便如此，NASA所研發(fā)的新型固態(tài)電池也并非沒(méi)有意義，因?yàn)槿缃竦囊簯B(tài)電池發(fā)展已經(jīng)快到極限了。比如特斯拉的圓柱電池，便是將單體圓柱電芯做得更大，從而讓電池中使用電芯的個(gè)數(shù)變少，提升成組效率。包括寧德時(shí)代的麒麟電池、比亞迪刀片電池發(fā)展路徑都是類似。

同時(shí)提升電池正極中活性材料的占比來(lái)增加能量密度，但這樣會(huì)在一定程度上犧牲電池安全性。而到了今年，寧德時(shí)代發(fā)布的磷酸錳鐵鋰電池中，在正極加入了錳材料，比容量達(dá)到165mA·h/g，將磷酸鐵鋰電池性能推到了極限，只存在利潤(rùn)上的優(yōu)化空間。

如果想要進(jìn)一步提升能量密度，增強(qiáng)續(xù)航時(shí)間，在新型材料發(fā)展緩慢的當(dāng)下，只能朝著固態(tài)電池方向發(fā)展。目前產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)開(kāi)始從液態(tài)電池，慢慢向半固態(tài)電池發(fā)展，當(dāng)然在半固態(tài)電池中，想要量產(chǎn)商用，仍然存在諸多問(wèn)題。但相比純固態(tài)電池，半固態(tài)電池已經(jīng)讓產(chǎn)業(yè)界人士看到了發(fā)展的希望。

寫在最后

早在1990年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室便研發(fā)出了固態(tài)電池，可以充放電上萬(wàn)次而不衰竭，并且充滿電只需要幾分鐘，能量密度超過(guò)700Wh/kg。但在30年后，NASA反而將能量密度降至500Wh/kg，但卻讓固態(tài)電池離商用化更近了一步。

通過(guò)使用新材料，降低了制造成本，同時(shí)提升了放電率，讓新型的固態(tài)電池向支持大型車輛供電靠攏。并且在如今液態(tài)電池走向極限的當(dāng)下，材料突破緩慢，固態(tài)電池已經(jīng)成為當(dāng)前明確的升級(jí)道路?，F(xiàn)在市場(chǎng)中當(dāng)然還是以液態(tài)電池為主，但在未來(lái)，固態(tài)電池的發(fā)展已勢(shì)不可擋。