液態置換

隨著固態電解質電池的興起，與傳統液態電解質電池相比，它們在電動汽車領域的應用前景備受關注。然而，尼克-弗萊厄蒂（Nick Flaherty）提醒我們，雖然這些固態電池具有巨大的潛力，但要將它們推向市場仍然面臨一些挑戰。

首先，固態電池的一個主要優勢是取代了液態電解質，有助于減少鋰離子電池中鋰枝晶的生長。鋰枝晶可能導致電池短路，甚至在最糟糕的情況下引發火災。此外，固態電池還可以采用液態電池無法使用的其他材料，尤其是金屬鋰作為負極。這可能提供更高的能量密度，實驗室已經展示了能量密度高達1514 Wh/litre的電池。

這種更輕和更高能量密度的特性也引起了電動飛機設計的興趣。

然而，固態電池的開發面臨多個挑戰，因此許多觀察家認為在2030年之前，它們不太可能大規模生產。其中一個挑戰是固態電解質限制了電荷在材料中移動的能力，尤其是限制了電荷在不同材料界面之間的傳輸。這會降低電池的功率，即以Wh/kg為單位的比能量，因為必須通過更高的電壓來驅動電流穿過電池。同時，這也可能減少電池的充電周期次數，因為較高的電壓可能導致固態電解質比液態電解質更快地降解。

其他挑戰包括大規模制造固態電池用于電動汽車的工藝，以及液態水電解質電池的安全性提升。因此，目前許多研究項目都在探索新的固態電池材料和結構，同時考慮它們的可制造性。

總之，發現適用于高性能固態電解質電動汽車的合適材料組合是一個關鍵的研究領域，目前存在三種主要的固態電解質競爭者，包括氧化物和硫化物（可用作陶瓷材料）以及聚合物，后者在陶瓷支架中注入以承載電流。

固態電池的發展與現有鋰離子電池有一個關鍵的不同點在于它們需要在比能量（以Wh/kg為單位）和能量密度（以Wh/litre為單位）之間取得平衡。全固態電池的采用將顯著提高電池的能量密度，這意味著在相同能量水平下，電池的體積更小，重量更輕。這反過來將使電池組能夠在相同體積下提供更長的續航里程，或者在相同續航里程下提供更輕、更小、更經濟的電池組。

然而，這通常會對電池的比能量產生影響，或者說電池的功率輸出。這對于卡車和公共汽車等重型電動平臺來說是一個更大的問題，因此在選擇固態電池（SSB）材料時需要做出不同的權衡。當然，電動飛機需要兼顧這兩方面。

使用更小、更輕的電池可以從根本上重新設計電池組，減少對物理保護和冷卻的需求，因此可以使用更輕的材料。這對于電動汽車平臺來說是一個巨大的進步，即使電池本身已經實現量產，進入量產也需要時間。這就是為什么大多數電池開發商將2030年視為SSB技術的關鍵時間節點。多年來，他們一直在研究這項技術，從A樣品到B樣品，將容量從5Ah提高到20Ah，以供汽車制造商進行早期原型測試。

目前，幾家SSB電池開發商正在建設試驗生產線，以便在2022年和2023年進行小規模生產，并計劃在2024年和2025年進行批量生產。這些生產線所生產的電池可用于2028年至2030年批量生產的汽車，這也是人們對這一時間表感興趣的原因。

另一個因素是固態電池對外形尺寸的影響。目前最流行的固態電解質由不會彎曲的陶瓷材料制成，因此無法制造圓柱形電池。這被認為是一個問題，因為圓柱形電池具有最高的生產成本效益：它們可以通過自動化的卷對卷工藝進行大規模生產。

因此，尋找最具成本效益的方法來批量生產袋狀電池型固態電池是一個關鍵的發展領域。更高的能量密度可以節省汽車其他部分的冷卻成本，部分彌補了較為復雜的生產工藝，但這也是人們探索等離子工藝和3D打印等其他非傳統技術的原因。

固態電池如何與現有制造工藝相匹配也至關重要。有些公司正在改造現有的鋰離子電池生產線，使用聚合物基半固態電解質和電極材料，但電池的其他部分則使用標準材料。這將足以在未來生產高端限量版汽車。

半固態電極

半固態電極采用了一種不使用粘合劑的創新方法，它將電解液與活性材料混合在一起，形成一種類似粘土的漿液。這種電極漿液使電極更厚、質量更輕、成本更低，同時簡化了制造工藝。這種半固態電極非常靈活，可以適用于多種不同的材料，包括硅等。

有一個項目旨在將鋰金屬負極和半固態正極結合在一起，以應用于電動航空。該項目還包括開發一條商業化的、模塊化的試驗生產線，該生產線可以擴大到批量生產。

另一種臨時方法是使用已經在當前商業化電池中得到驗證的硅負極技術。已經投入生產的電池具有450 Wh/kg的能量密度和20 Ah的容量，而即將投入生產的電池將具有800 Wh/kg的能量密度。

然而，硅技術面臨的挑戰是，在充電時，陽極會膨脹三倍，導致電池開裂和泄漏。盡管已經做了大量工作來盡量減少這個問題，但使用固態電解質可以避免這個問題。

還有其他用于提高現有電池容量的技術，如在正極銅箔或鋁箔中使用三維結構，這些技術也可以應用于固態電池。

聚合物電解質

在中國電動汽車制造商NIO的ET7 150 kWh電池組中，采用了高鎳含量的半固態電極和聚合物電解質。該電池組預計將于2022年底投入生產。這種電池組利用界面工程技術實現了鋰聚乙烯氧化物聚合物電解質的穩定循環，使用了含50%鎳、20%鈷和30%錳的陰極，產生4.2 V的電壓，同時碳硅陽極也含有鋰。這種電池的能量密度高達360 Wh/kg，續航里程超過1000公里，并支持快速充電。

材料界面

材料界面是固態電池的一個關鍵研究領域。電極與固態電解質之間的界面會引起很大的電阻，電阻來源尚不完全清楚。當電極表面暴露在空氣中時，電阻會增加，降低電池的容量和性能。雖然多次嘗試降低電阻，但仍未能將其降低到與不暴露在空氣中時相同的10 Ω cm^2。測試表明，電阻降低的原因是質子在退火過程中自發移除，而不是氧氣或氮氣降低了電池性能。采用150℃下的熱退火處理一小時后，電阻降至10.3 Ωcm^2，與未暴露在空氣中的電池相當。

一家主要電池制造商采用了新型鋰金屬袋電池設計，強調了界面的重要性。該電池在鋰金屬負極上使用了銀碳（Ag-C）納米復合層，以阻止鋰枝晶的生長，并提供更大的容量、更長的循環壽命和更高的安全性。盡管該電池與高鎳層狀氧化鋁正極和固態硫化物電解質相結合，但關鍵在于采用了一種熱等靜壓技術，以改善電極與電解質之間的接觸。這種設計使得電池尺寸只有鋰離子電池的一半，同時支持超過1000次充電循環的使用壽命。

SCiB

一種名為SCiB的SSB技術已經投入生產，主要用于48V混合動力汽車。最新設計的正極采用鋰鈦氧化物（LTO），具有出色的安全性、長壽命、低溫性能、快速充電、高輸入/輸出功率和大有效容量等特點。

這款20Ah-HP SSB電池非常適用于需要高功率輸入和輸出的重負載應用，以及需要抑制熱量并連續工作的場合，例如商用車輛、渡輪的快速充電以及機車車輛的再生動力系統。該電池的尺寸與當前的20Ah產品相同，因此設計人員可以使用相同的模塊組升級到更高的輸入和輸出功率。

盡管該電池的能量密度為84 Wh/kg，與鋰離子電池相比還有一定差距，但它的輸入功率是上一代產品（1900瓦）的1.7倍，可以在10秒內達到50%的充電量，輸出功率是上一代產品（1900瓦）的1.6倍。

電池的電阻降低了40%，從而在大電流運行時減少了發熱。這得益于采用了一種叫做電紡絲的技術來制造所謂的“表皮涂層電極”，即在電極表面覆蓋上一層納米纖維膜。

電紡絲技術是通過對聚合物溶液施加高壓來產生纖維，適用于創建電池的絕緣層。這種技術有助于使離子在電解質溶液中順暢移動，同時保持材料的原有特性，如耐熱性和電絕緣性。

超薄的絕緣膜可以縮短正極和負極之間的距離，具有更高的孔隙率和離子傳導性，從而降低了內部電阻。減小絕緣層的厚度還有助于增加電池的容量，提高輸入/輸出功率和容量。

電阻的降低使得水冷系統可以被強制空氣冷卻所取代，這也簡化了冷卻系統，可以采用更簡單的自然冷卻方式。較低的電阻還有助于降低過壓，使電池在更廣泛的充電狀態下運行。

由于20Ah-HP電池具有較低的內阻，因此在連續充放電過程中能夠有效地抑制發熱，因此它的壽命比當前的20Ah電池更長。在測試條件下，該電池經過8000次充放電循環后，容量仍能保持幾乎100%，而當前的20Ah電池在相同條件下容量下降了約10%，盡管其壽命為20000次循環。與硅鋰電池的壽命為500次和更堅固耐用的磷酸鐵鋰（LFP）電池的壽命為2000次相比，20Ah-HP電池表現更出色。

無負極 SSB

今年投產的另一種方法采用了“無陽極”結構和專有的固態陶瓷隔膜，以替代傳統鋰離子電池中使用的聚合物隔膜。通過更換隔膜，傳統鋰離子電池中使用的碳或硅負極可以被高能量密度的鋰金屬負極所取代。

在“無負極”結構中，電池是在放電狀態下制造的，而負極則是在首次充電時就地形成的。這不僅簡化了制造過程并降低了成本，還因為電池中沒有預先存在的電荷，使運輸更加安全。

隔膜材料必須具備高導電性、與鋰金屬的穩定性、抗鋰枝晶形成的能力以及低界面阻抗。陶瓷本身是不可燃的，因此比傳統的聚合物隔膜更加安全，后者是碳氫化合物，可能會燃燒。陶瓷隔膜的結構大部分是專有的，但避免使用稀土元素并支持連續流制造工藝有助于降低制造成本。

該技術的目標是提供每升1000瓦時的能量密度和每千克400瓦時的比能量，這將使汽車的續航里程增加50%-90%，同時在更小的電池組中提供更高的能量。

硫化物電解質

使用硫化物固體電解質與硅負極和傳統的NMC陰極相結合，意味著在現有的電池制造中只需改變一個元素。這樣生產出的100Ah大容量袋裝電池計劃于2024年投入生產，目標是在2028年每年批量生產80萬個電池。

這些電池的早期版本容量為2Ah，已通過了標準的釘穿安全測試，并且能夠在100%充電時承受外部短路，也能夠在過充電至200%容量時承受外部短路，而這兩種情況都會導致傳統鋰離子電池失效。

這種電池的比能量為390 Wh/kg，硅負極的能量密度為930 Wh/L，到2024年，鋰金屬負極的比能量密度將提高到440 Wh/kg。第三代電池的目標是將比能量提高到560Wh/kg，在785Wh/L的更大電池中實現更高的功率性能，采用不使用鎳或鈷的新型陰極材料，成本將低于每千瓦時3美元，比目前遠程汽車電池組通常使用的陰極成本低約90%。

另一種已投入生產的固態電解質材料是因子電解質系統技術。該技術已用于40Ah的原型電池，可以在室溫下工作，并可替代鋰離子袋式電池中的液態電解質，將續航能力提高20%-50%。

3D打印

使用陶瓷材料制作電解質還開辟了使用增材制造（AM）生產固態電池的途徑。UniMelt是一種微波控制等離子體生產系統，用于大批量生產固態電池，采用高達6000K的溫度，可在短短2秒內生成材料，而無需傳統制造方法的2-3天。這一技術取代了成本高昂且浪費嚴重的傳統制造方法，成本更低且占地面積更小。

UniMelt技術可用于制造具有嚴格粒度分布（PSD）的材料，以獲得最大能量密度和電解質的工程孔隙率，還可用于界面改性和鈍化的表面涂層。該技術可用于制造正極和負極，包括各種NMC變體、NCA、LMO、高壓尖晶石、LTO、硅負極以及其他獨特的化學材料。

UniMelt技術已用于開發NMC正極、LFP、硅主導正極、鋰、固態陶瓷電解質和再生正極材料等產品。其中一種材料是鋰鑭鋯氧化物，目前正在研究用于固態電解質。

等離子體方法具有顯著的優勢。例如，將傳統的16 GWh電池正極生產工廠改造為UniMelt平臺可以每年減少70%的二氧化碳排放，將用水量從630萬桶降低90%，并完全削減每年700萬桶的廢水產生量，而所需的工廠規模僅為現有設施的一半。

此外，還開發了3D打印機，用于打印固態電池的不同材料層。這可以減少一半的材料用量，使電池的能量密度增加一倍，并且可以在制造汽車的附近而不是遙遠的千兆工廠生產電池。不過，這需要開發新型固態電池材料和AM工藝設備。該工藝結合了粉末床和噴射材料沉積，使用的材料包括陶瓷電解質和金屬電極，還有一種名為PoraLyte的專有支撐材料。它避免了不同層懸空部分的限制，能夠更快地制造出具有內部通道和空腔的設備，甚至可以在電池內部加入傳感器等有源元件。

使用粉末工藝還能更容易地通過傳統方法回收陶瓷和金屬。

這種生產技術可以生產兩代固態電池。第一代固態電池類似于現在的袋裝電池，使用現有工廠中的材料，在400次充電周期內可使電池容量達到600 Wh/L。這得益于在電池中使用了30層材料，將電池容量從2.3毫安時提高到3安培。相比之下，正在生產的固態SCiB電池的容量為5 Ah，而現在開始出貨的電池容量為20 Ah。

第一代電池最初用于雙座和三座電動汽車。一家年產量為2.5兆瓦時的試驗工廠將于今年年底投產。

第二代電池采用AM工藝制造。它的能量密度為1200 Wh/L，壽命周期為幾千次循環，放電深度為100%，而不是像目前的電池那樣，必須保持80%到20%的電量。這將使電池組的續航能力增加40%。

第二代電池需要專業的3D打印機和其他一些輔助設備，但其最大的優勢是與現有工藝相比，所需的資本設備和加工步驟減少了30%-40%。

一臺AM機器每月可生產相當于18萬個1860電池，因此30到40臺機器相當于一家工廠每年生產1 GWh的電池。

使用三維打印技術還可以生產出不同形狀的固態電池，使其成為汽車結構的一部分。這種電池不需要機械外殼，外部可以用50微米的電解液層密封，使電池的活性材料比例比其他方法高得多，從而再次提高了電池容量。

目前正在開發第三代電池，其高壓陰極電壓為9 V，而不是4.2 V。該產品將于2023年底進行樣品測試，并于2024年投產。

水基電解質

傳統的鋰離子技術仍在不斷發展，這很可能對SSB的進步產生影響。水基電解質是其中一項特別的發展，它可以提高鋰離子電池的能量密度，而無需在電極中使用鎳或鈷。由于這些電解質是水基的，因此可以降低短路時起火的風險，而且可以在零下50攝氏度的環境中工作，這是與現有鋰離子電池組相比的一個關鍵優勢。一種水性電解質正與陰極設計方面的其他先進技術相結合，可將性能提高60%，與硅陽極結合可進一步提高性能。然而，這也面臨著與SSB相同的挑戰，即如何將其融入到電動汽車批量應用的生產流程中。

結論：

SSB正在推動電動汽車領域的大量創新。新材料、新結構和新工藝都在不斷涌現，它們可以提供更高水平的能量密度和功率，同時比鋰離子電池更加安全。然而，將這些技術推向市場供工程師使用也面臨著巨大的挑戰。可添加到現有生產線的"半固態"電解質的過渡步驟將使下一代高端汽車的電池組性能提高10-20%。然而，新材料帶來的更高效的新型制造技術將促使電池組的設計和制造方式發生巨大變化。這將對地面和空中電動平臺的整體設計產生連鎖反應。

關鍵技術的改進需要整合高電壓、高容量正極、固體電解質和金屬鋰等因素。

當前，固態電池研究主要集中在對電池化學成分的理解和評估上。然而，對于電池的整體能量密度，材料選擇、電極平衡以及加工和集成方法的評估至關重要。

SolidPAC 可根據用戶提供的化學成分、組件配置和加工參數來估算電池級能量密度。它還提供了進行 "逆向設計 "的途徑，以設計電極厚度和負載，以實現能量密度目標。

電池級容量的估算基于用戶提供的電池組范圍/能量/功率和電池組/模塊/電池配置。這些計算是從類似于為傳統鋰離子電池開發的 BatPac 中延續而來的。

結合用戶提供的電池級容量、負極和正極結構信息以及庫存中的材料信息，可以估算出制造電池所需的材料。然后，使用輸入的電池設計參數進行組件尺寸和電池級能量密度的計算。