鉅大LARGE | 點擊量：1059次 | 2022年08月31日
固態電池技術：或是處理"爆炸"問題的最終方法
面對一群喪尸，與其拳打腳踢，不如扔個Note7。噢，還有iphone7。
為甚么這些手機的鋰離子電池這么不安全?有沒有什么處理辦法?讓鋰離子電池不爆炸的最終處理辦法固態電池有什么?這種電池離我們還有多遠?
除此之外，筆者還梳理了固態電池的產業現狀，盤點了四家固態電池公司。固態電池終將成為主流電池，這些公司正在路上。
三星不哭，蘋果也爆炸了。
美國科技博客boyGeniusReport的一篇文章今天凌晨曬出，一部蘋果新iphone7仿佛也發生了爆炸。昵稱為@kroopthesnoop的網友在Reddit論壇貼出的一張照片，他的黑色iphone7破損嚴重，屏幕開裂，邊框有分明燒焦的痕跡。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
蘋果的股價周四開盤應聲下跌。
此前，三星Note7手機在全球已造成近40起爆炸事故。就在九月二十六日下午，又一部國行的Note7發生爆炸，這是在我國Note7的第四起爆炸事故了。
美國佛羅里達州用戶那桑多納切(NathanDornacher)使用的三星Note7爆炸，他之前在車內給Note7充電。車的方向盤、儀表盤等已經面目全非。
2016年九月二日下午，三星電子在韓國召開新聞公布會，移動部門總裁高東真對三星Note7電池爆炸事件進行了公開道歉，宣布因電池缺陷問題，三星將停售Note7手機，并召回250萬部Note7。
三星公司可能就此繼續爆炸門損失近50億美金--作為貢獻韓國GDp超過五分之一的三星，這一次可真是驚動了國本。
六天之后，美國聯邦管理局(FAA)發表表明，強烈提議乘客在飛機內封閉Note7電源，不要使用或進行充電。接著，美國消費品安全委員會(CpSC)又正式呼吁請消費者停止使用Note7并封閉電源。多米諾骨牌效應開始，多國部門繼續發出警示，提醒乘客停止使用Note7，這里面也包括我國民航。
網民把Note7裝飾成恐怖分子，說Note7才是真正的炸彈。
據三星自己說，Note7是手機鋰離子電池的電池芯出了問題。因為制造工藝失誤，電池的陰極和陽極相接觸，導致電池芯過熱從而引發爆炸。
爆炸一次不可怕，繼續爆炸才可怕。這不由得讓人想起同樣由于電池、繼續起火的特斯拉。
2015年年末，特斯拉還忙著統計去年全球交付總量達到50，580輛的傲人成就的時候，一月一日挪威一輛ModelS充電時猛然起火--所幸車內無人。
由于特斯拉使用的動力鋰離子電池是三元鋰離子電池，而三元鋰離子電池燃燒時不能筆直用水或者二氧化碳撲滅，專用的銅粉水造價太高又不常見，所以當時的挪威消防隊員只能用泡沫控制周邊火勢，直到這輛ModelS完全燒毀。
ModelS被燒毀畫面。
傳統鋰離子電池的安全性始終是一柄達摩克利斯之劍，懸在人們的心頭。
為甚么鋰離子電池容易爆炸?
我們先看一下鋰離子電池的解剖圖：
一般的鋰離子電池由正極、負極、電解質、隔膜組成。鋰離子在正負極之間來回奔跑，完成充放電的過程。有了電解質，鋰離子才能奔跑。正負極之間用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔開，電池的正負極因此戒備了筆直接觸。
安全隱患就在這個隔膜上。一旦高壓、過熱，隔膜很容易被穿破，導致正負極接觸，造成內部短路。據報道，三星為了提升電池的能量密度、延長續航能力，采用了更薄的隔膜材料，所以才會事故頻出。
想想看，一輛特斯拉要使用7000多節18650型號鋰離子電池，只要其中一節出了問題
7000多節鋰離子電池節電池在特斯拉底盤緊密排布。
惟有一個改變才可以徹底處理問題--把液體的電解質換成固體的
固態電解質能讓電池正負極永不接觸。即使發生過熱情況，固態電解質只是熔化成絕緣體，溫度下降后又能恢復成固體，不會分析出氣體和多余的熱量。
倘若一個鋰離子電池，換成固態電解質，它就叫做固態電池。
人類在固態電池上探索的道路至今已經有六十多年。最先加工出來的固態電池，不是那種厚厚的、或者圓圓的，而是像一層薄膜相同。
第一個報道產出固態電池的是日本人。1982年，日本Hitachi公司首先表明自己產出了厚度小于10μm的固態電池，是一層薄膜。但這塊電池的功率太低，無法驅動任何電子設備。
薄膜電池今朝有更成熟的產品了。2008年，美國的InfinitepowerSolutions(IpS)公司推出了一種全固態薄膜電池。它惟有一個指甲蓋大小、兩張紙厚，15分鐘就能充到90%的電量，可充放電10萬次，使用至少15年。由于是全固態，這種薄膜電池可以隨意彎折，在-40℃到85℃溫度范圍、甚至水下一千多米都能安全使用。
2015年，InfinitepowerSolutions公司被蘋果收購，開始研究用于可穿戴設備上的固態電池。可以想象，倘若蘋果手表用上固態電池，就能處理續航時間以及體積問題了。
這種薄膜形狀的固態電池，在微型電子器件市場上使用廣泛。世界范圍內，有十幾家公司擁有薄膜電池的專利，除了上面提到的兩家，還有法國bellcore、美國Cymbet、輝能科技、俄羅斯的GSNanotech等。
俄羅斯公司GSNanotech加工的柔性薄膜鋰離子電池。
但薄膜電池加工成本確實太高。它要利用一種叫做氣相沉積的技術，所用設備動輒上百萬。倘若將薄膜電池用到手機上，一臺蘋果能賣到100多萬。
另外，因為電極是薄膜，薄膜電池能儲存的能量很少，別說電動汽車了，手機要的電力都供不上。
更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固態電池。但非薄膜型的電池，目前技術還不是很靠譜。
瓶頸緊要有兩個：一是固態電解質離子電導率太低，也就是鋰離子在固態中奔跑得慢，而電池是靠鋰離子在正負極間奔跑來實現充放電的，所以這意味著電池充放電慢。二是固電解質和電極接觸得沒有液態和電極接觸好，導致界面電阻太高，這會顯著降低電池性能。
在非薄膜型的電池里面，有三種材料可作為電解質：聚合物、硫化物、氧化物。有不少公司說自己在做以聚合物為電解質的電池，但他們做的其實不是聚合物固態電池，而是凝膠電解質，如Sony和三星。凝膠的狀態介于固態和液態之間，其實根本沒有處理安全性的問題，凝膠電池的能量密度也難以提高。所以三星后來索性放棄了凝膠電解質。
其它絕大部分廠商，包括我國新能源科技(ATL)，只是在隔膜上涂一層聚合物將隔膜與正負極粘接在一起。話說，ATL是全球最大的聚合物電池供應商，為三星、蘋果、華為、OppO等公司供貨。
什么時候固態電池才能夠進入大規模產業化?
大部分業界的人樂觀的。業內認為，預計3年內能出現性能為現有鋰離子電池2倍多的產品。2013年，美國能源存儲聯合研究中心(JCESR)則說，5年內(2018年)開發出(相比一般鋰離子電池)能量密度達到5倍、價格降至1/5的蓄電池。
但科研范疇的學者們都偏保守--他們認為畢竟研究生產品跟能形成產業是兩碼事。2016年上半年，科學院物理研究所研究員李泓博士說：至少要到2020年，中科院物理研究所生產的固態電池可能試水到商業化的程度，而真正的全固態可能要更長時間。
雖然工業上不可能實現液態到固態的飛越，但這不代表產業界在固態電池范疇無計可施。峰瑞資本投資人朱祎舟對筆者說，我們可以尋找液態到固態的過渡辦法。例如，從麻省理工孵化出來的鋰離子電池公司SolidEnergySystems的電解質，就是既有固態又有液態：先在金屬鋰電極上傾覆一層固態電解質薄膜，然后加入一種準離子態阻燃液體。制成的電池跟傳統電池比體積縮小一半，還能供應更多能量。
固態電池性能好，成本高，就先瞄準對安全性、穩定性需求高，又不計成本的行業。固態電池的制造過程跟傳統電池的不相同，就要充足利用傳統電池的加工設備，戒備重建整條加工線，從而降低加工成本。朱祎舟說。
在大容量固態電池做產業化的這條路上，日本遠遠走在全世界前列。豐田、日立造船都是固態電池界的領軍公司。2009年，日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)啟動了210億日元計劃，舉國之力研究電池，希望能在2030年前開發出能量密度為現有水平5倍以上的可充電電池。從今朝看來，這個時間可能被大大提前。
韓國也不落后，三星在日本也有個固態電池研究所--早點研發出來三星就能換上固態電池了。
日韓之后，依次是歐洲、美國、我國。
法國已經有電動汽車投入使用固態電池，但他們用的固態電池中間還是有隔膜的，不是真正意義上的全固態，而且目前尚無大規模使用。美國人則惟有技術，沒有可以量產的產品，這里有創業公司一大把，比如：Seeo、SolidEnergySystem、Solidpower、QuantumeScape等等。
我國人還處于研究階段，相關標的有清陶能源、寧德時代新能源科技(CATL)、比亞迪、微宏動力等，研發進度有快有慢。其中，清陶能源位于江蘇盱眙，由南策文院士團隊組建。同時，南院士擁有我國第一個與全固態有關的專利。
筆者盤點了四家開發固態電池的公司，其中法國的batScap雖然有投入使用的產品，但不是真正意義上的全固態電池;其他公司目前還惟有技術。
batScap
batScap是法國博羅雷(bollore)的子公司，開發了可以在電動汽車上使用的固態電池。開發固態電池的batScap是博羅雷在能源范疇布局的一個關鍵。
batScap做的是要加熱的聚合物固態電池。因為在常溫下聚合物的離子電導率太低，意味著鋰離子在電極間奔跑得慢，充放電也就慢。加熱后，聚合物的離子電導率才能提高。
2011年底開始，博羅雷利用自主開發的EVbluecar，在法國巴黎及郊外供應汽車共享服務Autolib，即抵達目的地后交換車輛。這種汽車用的就是batScap的固態電池，規格是30kWh。目前這種bluecar已有近4000輛，有約900座服務站和4500臺充電器，每天利用次數1.8萬次。
法國的固態電池電動汽車正在充電。
然而，電池要加熱才能使用是難以大規模推廣的。電動汽車可以利用行駛中出現的熱量來維持60~80℃的使用溫度。但停車時，非得要利用電池包內部的加熱器來維持溫度，每秒會消耗約200W的電力，跟一個電冰箱差不多。在停車過程中要一直連接充電器。有人做過估算，均勻一年下來，停車時加熱器消耗的電力比行駛時所需的電力還多。
不過，據一名固態電池的技術人員透露，batScap的聚合物固態電池其實中間也有一層隔膜，根本不是我們所說的全固態。
Solidpower
美國Solidpower成立于2012年，位于美國肯塔基州的路易斯維爾市，在科羅拉多科技中心擁有650多平方米的廠。創始團隊有不少來自科羅拉多大學博爾德分校(UCb)的教授與副教授。這些教授背景都十分強，比如僅SeheeLee教授一人就有18項相關專利。
Solidpower拿政府的錢比較多，2013年獲美國能源部資助的346萬美元，科羅拉多州的經濟發展與國際貿易部門(COEDIT)資助的25萬美元。2014年底又獲美國空軍資助290萬美元。
Solidpower固態電池的電池能量密度達到了600Wh/kg，是市面上電池容量的兩倍多。
Sakti3
Sakti3是一位來自美國密歇根大學的教授在2007年設立的風險創業公司。Sakti在梵文中是力量的意思，3是鋰的原子序數，連起來就是鋰的力量。這家公司是用蒸鍍的辦法制備無機固態電解質，并且宣稱已能實現高效率量產。
美國密歇根大學教授安瑪莉賽斯特里(AnnMarieSastry)是公司的CEO。
值得一提的是，Sakti32015年獲得家電巨擘戴森公司1500萬美元融資，年底被戴森以9000萬美元收購。2016年九月，戴森宣布投資14億建立電池廠。
Sakti3宣布已制造出能量密度達550Wh/kg的電池，這一能量密度要比一般鋰離子電池的高約莫50%，電池蓄電量是特斯拉今朝使用的鋰離子電池的兩倍。Sakti3對媒體說，他們在其位于密歇根的小型實驗場已制造出這種固態電池的原型，預計在兩三年內實現商業化。
然而，業內針對Sakti3的聲音真不少。不少科研人士都認為：Sakti3沒有產品，只是在炒作固態電池概念。
豐田
2013年時，豐田宣布，計劃在2020年全面實現全固態電池商業化，其能量將是鋰離子電池的三到四倍，并在接下來幾年使用鋰空氣電池。
許多日企都非常重視離子導電率。離子導電率高，意味著鋰離子在正負極間奔跑得快，充放電的速度就快。而硫化物電解質在常溫下的離子導電率與液態電解質相似，所以有許多日本公司在研究硫化物。豐田就是個代表。
依據豐田2014年公布的專利，他們研發的全固態電池，改善固態電解質和電極接觸差的問題，用濕涂工藝來制備中間的電解質，讓電解質變得很薄，從而減小電池體積。同時豐田放大了電芯尺寸，將電池面積張大了50倍，容量提升了一千倍。
豐田在試驗中將固態電池用在電動小車上。
據蘋果一名技術人員向筆者透露，豐田固態電池產業化很可能不會使用上面說的材料，他們公布這項專利也許只是為了誤導產業界。
上一篇：連接器溫升有關鋰電池性能的影響
下一篇：手機電池為什么都用鋰電池？
