鋰離子電池擁有強(qiáng)大的能量和長(zhǎng)循環(huán)壽命。但他們有一個(gè)危險(xiǎn)的傾向，會(huì)爆炸，導(dǎo)致傷亡，產(chǎn)品召回和禁飛。

研究人員稱固態(tài)鋰電池為更安全的替代品。這些設(shè)備將易燃液體電解質(zhì)換成惰性固體，如塑料或陶瓷。但是研究人員幾十年來(lái)一直追求固態(tài)電池技術(shù)，卻沒(méi)有提出任何產(chǎn)品。

現(xiàn)在，馬薩諸塞州的SolidEnergySystems計(jì)劃成為第一家銷售這種電池的公司。該創(chuàng)業(yè)公司表示，與同樣重量的傳統(tǒng)鋰離子電池可以存儲(chǔ)的電池相比，它可以將兩倍的能量包裝到電池中。

這意味著設(shè)備可以工作兩倍的時(shí)間。例如，現(xiàn)在“先進(jìn)的無(wú)人機(jī)有傳感器，攝像頭和處理器，所以電池只能維持20分鐘，而且很重，”創(chuàng)始人胡超超說(shuō)。使用SolidEnergy的新電池，這些無(wú)人機(jī)可以飛行40分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。

該公司目前正在測(cè)試無(wú)人駕駛飛機(jī)的電池，預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候?qū)⑼瞥鏊鼈兊碾姵兀S后在2019年推出可穿戴設(shè)備電池，2021年后推出電動(dòng)車(chē)。

在今天的電池中，鋰鹽的稀溶液可用作電解質(zhì)。其工作是在碳陽(yáng)極和鋰過(guò)渡金屬氧化物陰極之間穿梭離子。一些陶瓷，聚合物和玻璃材料也可以做得很好。除了比液體產(chǎn)品更安全之外，這些替代品還可以支持純鋰陽(yáng)極，這將提高能量密度。

20世紀(jì)80年代，鋰離子電池先驅(qū)最初選擇鋰金屬作為陽(yáng)極。但是鋰金屬陽(yáng)極迅速生長(zhǎng)出長(zhǎng)滿苔蘚的苔蘚狀晶須，它可以到達(dá)陰極并使電池短路。因此，電池研究人員轉(zhuǎn)向碳用于陽(yáng)極。

SolidEnergy的解決方法是將純鋰箔制成的超薄陽(yáng)極涂上一層混合聚合物陶瓷電解質(zhì)，這種電解液可以抑制枝晶生長(zhǎng)。另一種電解質(zhì)，即鋰鹽糊狀物，放在陰極上。

陰極上的電解質(zhì)含有足夠的溶劑以使鋰鹽在室溫下傳導(dǎo)離子。胡說(shuō)，該設(shè)備技術(shù)上是半固體電池，但比傳統(tǒng)的鋰離子電池更安全。電池的能量密度約為每千克500瓦時(shí)，是傳統(tǒng)鋰離子電池250瓦時(shí)/千克的兩倍。缺點(diǎn)是它只能重復(fù)充電約200次，而傳統(tǒng)電池的重復(fù)次數(shù)卻不到1000次。

“有很多人試圖找到100％完美的固態(tài)方法，”胡說(shuō)。“但我們認(rèn)為我們的半固體方法已經(jīng)足夠好了。”

其他實(shí)驗(yàn)室仍然專注于最終固態(tài)電池的愿景。去年，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的JohnGoodenough發(fā)布了一款堅(jiān)固的玻璃電池。他和同事MariaHelenaBraga使用鋰摻雜的玻璃材料作為電解質(zhì)。在他們最新的設(shè)計(jì)中，他們?cè)?月份的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志上報(bào)道，他們用特殊的增塑劑溶液涂覆柔性陰極。

固態(tài)電池的一個(gè)問(wèn)題是，隨著各種材料以不同的速率膨脹和收縮，電池的界面破裂。Braga說(shuō)，增塑劑起到防止開(kāi)裂的緩沖作用。新的電池設(shè)計(jì)具有傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度的兩倍，可以重復(fù)充電23,000次。

最近，行業(yè)巨頭也開(kāi)始投資固態(tài)電池。本田，日產(chǎn)和豐田已與松下公司合作開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)。但是一些固體技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司的高調(diào)收購(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)。2015年，戴森收購(gòu)了密歇根大學(xué)分拆Sakti3，計(jì)劃開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)電池，而德國(guó)巨頭博世收購(gòu)了勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的固態(tài)聚合物電池初創(chuàng)公司Seeo。兩家公司都已經(jīng)拋棄了這些技術(shù)。

LBNL科學(xué)家兼化學(xué)工程師NitashBalsara說(shuō)，鋰金屬電池并不容易，LBNL科學(xué)家兼化學(xué)工程師NitashBalsara在2007年與其他LBNL校友共同創(chuàng)辦了Seeo。“總體而言，只要電池行業(yè)是免費(fèi)的，電池行業(yè)就非常重視安全性。”他說(shuō)。“我認(rèn)為[這是]一個(gè)錯(cuò)誤。有足夠的空間來(lái)開(kāi)發(fā)本質(zhì)安全的鋰電池并將它們交給消費(fèi)者。“

Balsara現(xiàn)在有一個(gè)新的創(chuàng)業(yè)公司BlueCurrent，它正在完善一種混合聚合物陶瓷電解質(zhì)。聚合物不像陶瓷一樣傳導(dǎo)離子，但陶瓷很脆。Balsara說(shuō)，這款混合動(dòng)力車(chē)“混合兩全其美，為汽車(chē)充電更多能量，當(dāng)汽車(chē)碰撞時(shí)不會(huì)破裂”。

紐約賓厄姆頓大學(xué)化學(xué)教授，鋰離子先驅(qū)M.StanleyWhittingham說(shuō)，固態(tài)電池最終可能奏效，但他們?nèi)匀幻媾R工程挑戰(zhàn)。“在不久的將來(lái)，什么都不會(huì)取代鋰離子電池，”他說(shuō)，預(yù)測(cè)固體和半固體電池將在未來(lái)5到10年內(nèi)轉(zhuǎn)移到利基市場(chǎng)。“最終，挑戰(zhàn)是他們會(huì)是多么昂貴，”他說(shuō)。

每千瓦時(shí)500美元的價(jià)格，SolidEnergy的電池價(jià)格比傳統(tǒng)的鋰離子電池高得多，現(xiàn)在售價(jià)約為200美元。但胡先生預(yù)計(jì)，隨著大規(guī)模制造業(yè)的成本下降，并與主要電池制造商進(jìn)行談判。

“我們還沒(méi)有準(zhǔn)備好實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的最終目標(biāo)，”胡承認(rèn)。“但是我們已經(jīng)滿足了無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵性能要求，并且正在向EV電池取得巨大進(jìn)展。”