未來的電動(dòng)汽車超級(jí)電池由巖石制成

未來十年，基于巖石硅酸鹽的新型固態(tài)電池技術(shù)有望取代當(dāng)前的鋰離子電池，成為更環(huán)保、高效且安全的能源存儲(chǔ)解決方案，DTU研究員Mohamad Khoshkalam發(fā)明的硅酸鉀超離子材料為此提供了可能。

10 年后，由巖石硅酸鹽制成的固態(tài)電池將成為我們今天使用的鋰離子電池的環(huán)保、更高效、更安全的替代品。DTU 的研究人員為一種基于硅酸鉀的新型超離子材料申請(qǐng)了專利，硅酸鉀是一種可以從普通巖石中提取的礦物。

DTU 研究員 Mohamad Khoshkalam 發(fā)明了一種基于巖石硅酸鹽的新材料，用于固態(tài)電解質(zhì)，有可能在未來電動(dòng)汽車電池中取代鋰。攝影： Frida Gregersen

作者 卡特琳·丹克耶爾

電動(dòng)汽車中的電池決定了您一次充電可以行駛多遠(yuǎn)以及充電的速度。然而，鋰離子電池是當(dāng)今使用最廣泛的電動(dòng)汽車電池，在容量、安全性和可用性方面都有其局限性。因?yàn)殇囀且环N昂貴、對(duì)環(huán)境有害的材料，而且這種相對(duì)稀有的金屬稀缺性會(huì)阻礙汽車運(yùn)輸?shù)木G色轉(zhuǎn)型。

隨著越來越多的人轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，我們需要開發(fā)新一代無鋰電池，這種電池至少同樣高效，但更環(huán)保，生產(chǎn)成本更低。這需要電池的主要部件采用新材料;陽極、陰極和電解質(zhì)，以及開發(fā)新的電池設(shè)計(jì)。

這是一個(gè)目前占據(jù)世界各地研究人員的研究領(lǐng)域，因?yàn)楫?dāng)我們找到新的電池“配方”時(shí)，它將大大減少運(yùn)輸部門的碳排放。

在 DTU，研究人員 Mohamad Khoshkalam 發(fā)明了一種有可能在未來超級(jí)電池中取代鋰的材料：基于硅酸鉀和硅酸鈉的固態(tài)電池。這些是巖石硅酸鹽，是地殼中最普遍的一些礦物。它可以在海灘或花園里撿到的石頭中找到。新材料的一大優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)空氣和濕度不敏感。這使得它可以在電池內(nèi)部模制成薄如紙的層。

基于硅酸鉀的乳白色、薄如紙的材料的潛力是巨大的。它是一種廉價(jià)、環(huán)保的材料，可以從覆蓋地球表層 90% 以上的硅酸鹽中提取。該材料可以在 40 度左右傳導(dǎo)離子，并且對(duì)水分不敏感。

這將使擴(kuò)大規(guī)模和未來的電池生產(chǎn)更容易、更安全、更便宜，因?yàn)樯a(chǎn)可以在開放環(huán)境和接近室溫的溫度下進(jìn)行。該材料還可以在不添加昂貴且對(duì)環(huán)境有害的金屬（例如鈷）的情況下工作，鈷目前用于鋰離子電池以提高容量和使用年限。

“硅酸鉀作為固態(tài)電解質(zhì)的潛力早已為人所知，但在我看來，由于鉀離子的重量和尺寸的挑戰(zhàn)而被忽視了。離子很大，因此移動(dòng)速度較慢，“Mohamad Khoshkalam 說。

要了解 Mohamad Khoshkalam 發(fā)現(xiàn)的觀點(diǎn)，必須首先了解電解質(zhì)在電池中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。電池中的電解質(zhì)可以是液體或固體材料，即所謂的固態(tài)電解質(zhì)。電解質(zhì)允許離子在電池的陽極和陰極之間移動(dòng)，從而維持放電和充電過程當(dāng)中產(chǎn)生的電流。換句話說，電解液對(duì)電池容量、充電時(shí)間、使用年限和安全性至關(guān)重要。

事實(shí)

電池的工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它由三個(gè)部分組成：正極（陰極）、負(fù)極（陽極）和電解質(zhì)。

當(dāng)電池連接到設(shè)備時(shí)，化學(xué)反應(yīng)會(huì)在陽極釋放電子。這些電子穿過外部電路并為器件供電，而正離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極，在那里它們與釋放的電子反應(yīng)形成新的化合物。

這個(gè)過程一直持續(xù)到電池中的化學(xué)能耗盡。放電后，可以通過提供外部電能為電池充電，從而逆轉(zhuǎn)反應(yīng)并恢復(fù)電池中的原始化合物。

鋰離子電池的工作原理是將鋰離子通過電解質(zhì)液體從陰極（由包括鋰和鈷在內(nèi)的金屬混合物制成）移動(dòng)到陽極（由石墨制成）。鋰離子和鉀離子電池的工作原理相同。在這里，鋰被簡(jiǎn)單地替換為鉀。還對(duì)鈉離子、鋁離子和鎂離子電池進(jìn)行了研究。

在固態(tài)電池中，離子不會(huì)穿過電解質(zhì)液體，而是穿過稱為固態(tài)電解質(zhì)的超薄固體材料。這種材料可以由鋰、鈉、鉀、氧化物和硫化物的形式制成。

電解質(zhì)的電導(dǎo)率取決于離子在電解質(zhì)中的移動(dòng)速度。硅酸鹽巖石中的離子通常比鋰基液體電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)中的離子移動(dòng)得慢，因?yàn)樗鼈兏蟾?。?Mohamad Khoshkalam 已經(jīng)找到了硅酸鉀超離子材料的配方，以及一種使離子移動(dòng)速度比鋰基電解質(zhì)更快的工藝。

“對(duì)電池組件的首次測(cè)量表明，該材料作為固態(tài)電解質(zhì)具有非常好的導(dǎo)電性。我不可透露我是如何開發(fā)這種材料的，因?yàn)榕浞胶头椒ìF(xiàn)在已經(jīng)獲得了專利，“Mohamad Khoshkalam 繼續(xù)說道。

用于固態(tài)電池的電池單元可以完全薄。在實(shí)驗(yàn)室中，固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)分為六個(gè)步驟，固態(tài)電解質(zhì)是一種位于電池負(fù)極和陰極之間的薄如紙的材料。攝影： Frida Gregersen

第 1 步：根據(jù)硅酸鉀制作粉末。攝影： Frida Gregersen

第 2 步：將粉末與粘合劑和溶劑混合，將液體溶液倒入滾筒上，滾筒將材料搟成薄層。評(píng)估溶液的質(zhì)量，以制備缺點(diǎn)較少的固體電解質(zhì)。攝影： Frida Gregersen

第 3 步：將溶液搟成薄如紙的白色層。檢驗(yàn)材料的質(zhì)量以避免厚度錯(cuò)誤，例如在材料成型和干燥之前。攝影： Frida Gregersen

第 4 步：將材料模制成細(xì)長(zhǎng)的白色膠帶，并在膠帶腳輪中干燥。一次最多可以生產(chǎn) 10 米的膠帶材料。攝影： Frida Gregersen

第 5 步：固態(tài)電解質(zhì)的最終質(zhì)量控制。然后將其移動(dòng)到手套箱中，與陽極和陰極一起組裝成固態(tài)電池。攝影： Frida Gregersen

第 6 步：混合固態(tài)電池組裝在箔中。攝影： Frida Gregersen

研究人員和電動(dòng)汽車生產(chǎn)商都認(rèn)為固態(tài)電池是未來的超級(jí)電池。最近，豐田宣布，他們預(yù)計(jì)將在 2027-28 年推出一款配備鋰固態(tài)電池的電動(dòng)汽車。然而，幾家汽車生產(chǎn)商此前曾宣布推出配備固態(tài)電池的電動(dòng)汽車，但隨后又退出了。

在固態(tài)電池中，離子穿過固體材料，而不是像您可以在商城買到的普通 AA+ 鋰離子電池那樣穿過液體。這有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn);離子可以更快地穿過固體材料，使電池充電更高效、更快速。

單個(gè)電池單元可以制成像紙板一樣薄，其中陽極、陰極和固態(tài)電解質(zhì)是超薄材料層。這意味著我們可以制造更強(qiáng)大的電池，占用更少的空間。這在道路上提供了好處，因?yàn)橐淮纬潆?10 分鐘可行駛 1,000 公里。此外，固態(tài)電池更防火，因?yàn)樗缓扇家后w。

然而，在我們將固態(tài)電池推向市場(chǎng)之前，有幾個(gè)挑戰(zhàn)需要解決。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行良好，但難以放大且成本高昂。首先，材料和電池研究既復(fù)雜又耗時(shí)，因?yàn)椴牧戏浅Ｃ舾?，需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備。我們今天使用的鋰離子電池花了 20 多年時(shí)間才開發(fā)出來，我們?nèi)栽陂_發(fā)它們。

其次，我們需要開發(fā)新的電池生產(chǎn)和密封方法，使電池芯中的超薄材料層不會(huì)破裂并持續(xù)接觸才能工作。在實(shí)驗(yàn)室中，您可以通過在高壓下將電池單元的各層壓在一起來解決它，但很難轉(zhuǎn)移到由許多電池單元組成的商用電動(dòng)汽車電池上。

與鋰固態(tài)電池不同，基于硅酸鉀和鈉的固態(tài)電池具有較低的 TRL（技術(shù)成熟度）。這意味著從實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)到將技術(shù)推向社會(huì)并產(chǎn)生影響，還有很長(zhǎng)的路要走。我們最早可以在 10 年后在市場(chǎng)上的新電動(dòng)汽車中看到它們。

它也是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，商業(yè)成功的機(jī)會(huì)很小，技術(shù)挑戰(zhàn)很多。盡管如此，Mohamad Khoshkalam 還是充滿了樂觀：

“我們已經(jīng)證明，我們可以找到一種廉價(jià)、高效、環(huán)保且可擴(kuò)展的固態(tài)電解質(zhì)材料，其性能甚至優(yōu)于固態(tài)鋰基電解質(zhì)?！?/p>

在 DTU 實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)該配方一年后，Mohamad Khoshkalam 獲得了該配方的專利，并正在建立初創(chuàng)公司 K-Ion，該公司將為電池公司開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)組件。 K-ion 是 DTU Earthbound 計(jì)劃的一部分，他們獲得支持，以更快地將研究成果帶出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入社會(huì)以產(chǎn)生影響。

Mohamad Khoshkalam 和他的團(tuán)隊(duì)下一步是開發(fā)一種演示電池，可以向公司和潛在投資者展示這種材料有效。原型預(yù)計(jì)將在 1-2 年內(nèi)準(zhǔn)備就緒。

事實(shí)

鋰的離子傳導(dǎo)能力很難被擊敗，但這種材料價(jià)格昂貴且難以獲得。我們將看到鈷和鋰濃度較低的新型改進(jìn)型鋰離子電池。

鈉離子和鉀離子電池具有較高的 TRL（技術(shù)就緒水平）。幾家汽車生產(chǎn)商預(yù)計(jì)在 5 年內(nèi)量產(chǎn)它。鋰固態(tài)電池的發(fā)展更進(jìn)一步。因此，我們將在鉀和鈉固態(tài)電池之前在市場(chǎng)上看到它們。

鉀和鈉固態(tài)電池的 TRL 較低。這意味著在電池商業(yè)化之前必須采取許多步驟。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中有效，但在將技術(shù)放大為可大規(guī)模生產(chǎn)的功能性電動(dòng)汽車電池之前，必須解決幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。