“MIT探讨怎么为电动汽车设计更好的电池”

盖乌斯汽车报道称，随着减少碳排放的诉求越来越迫切，人们正在迅速转向电气化交通，扩大太阳能和风能在电网的配置。 如果这些趋势持续升级，对更好的电力存储方法的诉求将会增加。

(图像来源: mit )

麻省理工学院( mit )材料科学工程副教授elsa olivetti说:“大规模开发基于网格的存储技术很重要。 但是，在移动APP，特别是交通行业，许多研究都集中在当前锂离子电池的改进上，更安全更小，单位体积和重量的能量不断增加。 ”

虽然锂离子电池一直在不断改善，但还有些局限性，部分原因在于其结构。 锂离子电池含有正负极和电解液。 这样设计的问题之一是在一定的电压和温度下电解液容易挥发，引起火灾。 另一个问题是锂离子电池不太适合车辆。 大型电池组占空之间，增加车辆的总重量，降低油耗。 事实表明，在维持能量密度(即单位重量储存的能量)的状态下，使现有的锂离子电池更小、更轻并不容易。

为了应对这些问题，尝试了用薄固体电解质代替电解液来制造全固体电池。 该电解质可以在较宽的电压和温度范围内保持稳定。 另外，使用了高容量的正极和比一般使用的多孔碳层薄得多的锂金属负极。 这样可以使电池小型化，维持储存能力，实现更高的能量密度。

研究员凯文·黄博士说:“提高安全性和能量密度被认为是固体电池的两个潜在特征。 但是，这只是预想，并不一定会实现。 ”尽管如此，研究者们仍在寻找能够实现这些愿景的材料和设计。

思维实验室以外的问题

研究人员已经在实验室提出了很多有潜力的选择。 但是，考虑到紧迫的气候变化挑战，有必要再考虑一些实际因素。 olivetti说:“在实验室里，我们的研究者总是用一点点的指标来判断可能的材料和技术。 ”。 例如，储存能力和充放电速度。 这些指标在进行必要和重要的基础研究时是适当的。 “但是，要实现目标，与快速扩张的可能性相比，建议稍微增设一些指标。 ”

基于业界目前对锂离子电池的经验，麻省理工学院( mit )的研究人员和加州大学伯克利分校) UNiversity OFCaliForniatBerkeley )的gerbrand ceder教授指出，所选材料未来将

首先，关于这个电池设计，随着生产规模的扩大，材料的可用性、供应链还是价格的变动会成为问题吗？ (请观察采矿规模扩大带来的环境和其他问题不在本研究范围内。 ）

其次，是否与用这些材料制造电池困难的制造工序有关？ 在这些工序中零件有可能发生故障吗？

第三，基于这些材料生产高性能产品的制造措施，最终是降低还是提高电池的生产价格？

为了说明他们的做法，olivetti、ceder和huang的研究目前正在稍微探讨电解质的化学成分和电池结构。 他们求助于以前的研究成果，选择了样本。 为了收集文献中报告的资料和详细解决新闻，研究人员采用了复制和数据挖掘技术。 从这个数据库中，研究人员选择了几个常用的选项。

/ s2/ ]材料和可用性

在固体电解质的世界里，主要有两种材料。 一个是含氧氧化物； 另一种是硫化物，其中含有硫。 研究人员聚焦于各个类别内有前景的电解质选项，检测了其中的重要元素。

研究者认为的硫化物是lgps，含有锂、锗、磷、硫。 另外，考虑到可用性，如果关注锗，该元素一般不是单独开采的，而是煤炭和锌开采中产生的副产物。

为了调查其可用性，研究者着眼于过去60年煤炭和锌开采期间的锗年产量和实际最大可能产量。 结果表明，即使在这几年中，锗的产量也有可能超过现有产量的100倍。 考虑到这种供给可能性，扩大基于lgps电解质的固体电池的生产，受锗的可得性限制的可能性很小。

对于研究者选择的氧化物llzo (包括锂、镧、锆、氧)，情况似乎并不那么乐观。 虽然有关镧的提取和加工的数据有限，但这是因为该研究者尚未充分分析其可用性。 其他三种元素储量丰富。 但是，实际上，为了容易解决llzo，需要添加少量被称为掺杂剂的其他元素。 因此，研究小组将重点放在llzo中最常用的掺杂剂钽上，作为llzo中最重要的考虑元素。

钽是开采锡和铌的副产品。 历史数据表明，锡铌开采过程中的钽产量比锗的情况更接近潜在的最高产量。 因此，为了扩大llzo电池的规模，需要更加考虑钽的可获得性。

了解一种元素的地球储量并不意味着处理了开采等问题。 研究人员将探讨开采、加工、冷凝、运输等关键要素供应链的后续问题。 假设能够大量供应，对应的供应链是否也能迅速扩大，以满足不断增长的电池诉求。

样品分解关注的是，锗和钽的供应链预计需要达到多少年增长率才能为2030年的电动汽车团队提供电池。 例如，对于2030年的电动汽车队来说，被认为需要生产足够的电池来提供合计100千兆瓦的能量。 要实现这一点，只依赖于lgps电池，锗的供应链需要每年增加50%。 因为相比之下，过去的最大成长率约为7%。 光是采用lzo电池，钽的供应链就需要增加约30%，远远超过约10%的历史高位。

这些例子说明了在判断不同固体电解质的可扩展性时，要考虑材料可得性和供应链的重要性。 “即使像锗那样得不到材料的可用量，为了应对未来的电动汽车生产，也可能需要以前所未有的速度扩展供应链中的其他步骤。 ”

/ s2/材料和加工

在判断电池设计的可扩展性时，另一个要考虑的因素是制造过程的难度和对价格的影响。 制造固体电池需要很多步骤，如果每一步都有错误，电池的生产价格就会上升。 正如黄伟说的:“你不运输那个坏电池。 扔了。 但是，你付出了材料、时间、加工过程、金钱。 ”

研究人员在数据库中寻找了故障率对所选固体电池设计总价格的影响。 在一个例子中，他们集中在氧化物llzo上。 lzo非常脆，在制造过程中经过高温，用于高性能固体电池的足够薄的大薄片，很可能发生破裂和翘曲。

为了明确这些故障因素对价格的影响，研究者模型化了组装llzo系电池的4个重要的工艺步骤。 每个步骤根据预期的成品率计算价格，也就是加工成功但未失败的总零件的百分比。 采用lzo时的产量远远低于其他研究设计。 随着产量的下降，每千瓦电池能源的价格明显上涨。 例如，在最后的正极加热工序中，如果零部件故障多了5%，价格就会上涨约/kwh，考虑到这类电池的普遍接受目标价格为0/kwh，这是一个不小的数值。 很明显，制造难度可能会对大规模使用设计的可行性产生很大的影响。

材料和性能[/s2/]

全固态电池设计的挑战之一来自界面膜。 在运转中或制造中，这些界面材料会变得不稳定。 “走到原子不能去的地方，电池的性能开始下降。 ”为此，许多研究致力于在不同的电池设计中提出稳定界面的途径。 很多做法确实有助于性能的提高。 但是，使用这些方案一般需要材料和时间，大规模生产时电池价格会上升。

为此，研究人员首先研究氧化物llzo，目的是通过在llzo电解质和负极之间插入薄的锡层，稳定两者的界面。 并且，拆解和实施该处理方案将对价格产生正面的负面影响。 研究人员发现，添加锡隔离层可以提高储存能力，提高性能，降低单价。 但是，加入锡层的价格超过了节约价格，最终的价格比原来的价格高了。

在另一个分解中，着眼于lpsci这种硫化物电解质，含有锂、磷、硫、添加的氯。 在本例中，正极含有电解质材料粒子，这样可以可靠地找到锂离子通过电解质进入其他电极的路径。 但是，这些添加的电解质粒子与正极中的其他粒子不兼容，会产生其他界面问题。 这种情况下，添加粘接剂，用别的材料粘接粒子是标准的处理方案。

分解表明，在没有胶粘剂的情况下，lpsci类电池的性能较差，其价格高于0/kwh。 加入粘合剂后，电池性能明显提高，价格几乎下降到0/kwh。 在这个例子中，在电池制造过程中添加粘合剂的价格很低，不影响整体的价格下降。

研究人员对文献中提到的其他有前景的固体电池进行了同样的研究，结果表明，所选择的电池材料和技术，不仅会影响实验室近期的结果，还会影响制造固体电池以满足未来诉求规模的可能性和价格。 研究结果还表明，综合考虑可用性、加工诉求、电池性能三个因素具有重要作用，因为可能会导致集体效应和权衡问题。

通过这个小组的做法，可以探讨一系列的问题。 但是，研究人员强调，这不能代替实验室用于选择指导材料和工艺的以前流传下来的指标。 “相反，我们将通过广泛注意可能阻碍扩张进程的各种因素来扩展这些指标。 ”