固态电池终于走出实验室

锂离子替代品可以帮助创造更安全、更环保的未来。

现在是 2030 年，你刚刚购买了第一辆电动汽车。你之所以下定决心购买电动汽车，是因为这款汽车配备了固态电池——这种电池的能量密度高，安全性极高，还可用于为智能手机和其他科技设备供电。数百万司机很快将加入你的行列，他们被续航里程更长、火灾风险更低和成本更低所吸引。

固态电池

电的发现改变了世界，催生了许多发明，让我们的生活更安全、更健康、更高效、更愉快。电池将这一发现提升到了一个新的水平，让我们能够储存电能并将其用于为移动设备供电。

如今，锂离子电池占据了电池市场的主导地位，但更安全、容量更大的固态电池可以为未来的世界提供动力，甚至可能帮助我们免受气候变化可能带来的最严重影响。

为了找到原因，让我们回顾一下电池的历史、最新突破以及固态电池可能很快取代锂离子电池的趋势。

我们去过的地方

我们要去哪里（可能）

在过去的 200 年里，科学家们不断用不同的材料对电池进行创新，但自 1799 年第一块电池诞生以来，基本设计并没有发生太大的改变。电池有一个由一种材料制成的阳极，一个由另一种材料制成的阴极，以及一种液体（或近液体）电解质。

固态电池是个主要的例外，尽管几十年来一直被誉为未来的电池——比锂离子更轻、更安全、更强大、能量密度更高——但它们的发展却受到成本、制造挑战和短路倾向等因素的阻碍。

然而，经过数十年的研究，固态电池似乎终于可以兑现其承诺了——为从最微小的技术到整个建筑的一切提供动力。

从小事做起

一些小型固态电池已在一些钟表、手表和医疗植入物中使用，但电子制造商 TDK 的一项新突破即将推动这一趋势。

今年 6 月，该公司宣布已开发出新版 CeraCharge 固态电池，其能量密度为每升 1,000 瓦时，是现有 CeraCharge 电池的100 倍。

TDK 并未透露太多有关制造该电池的专有技术的信息，但透露称，该电池采用锂合金阳极和氧化物固体电解质，因此“极其安全”。

由于新款 CeraCharge 电池比其前代产品能储存更多电量，因此它可使设备使用寿命更长和/或体积更小。它还可作为纽扣电池（又称“手表电池”）的可充电替代品，纽扣电池能量密度高，但只能一次性使用。

TDK 能源单位开发部科长佐藤宏司 (Hiroshi Sato) 告诉 Freethink：“我们相信，通过用二次电池替换大量的一次电池，我们可以为减少环境影响做出贡献。”

TDK 最初设想将新型 CeraCharge 电池用于无线耳机、助听器和智能手表，但如果该公司能够突破制造障碍，它最终可以扩大规模，用于智能手机等更大型的设备。

佐藤说：“存在的挑战是，随着电池面积的增加，制造均匀、高密度的结构变得越来越困难，从而导致出现裂缝和扭曲等结构缺陷。”

“对于这些挑战，我们希望首先积累小型电池的生产和实践经验，然后探索更大电池的潜力，”他继续说道。

上路

如今大多数电动汽车使用的锂离子电池比几十年前的电池更便宜、更强大，但它们的缺点正在减缓从内燃机向电动汽车的转变。

有些人对于购买需要数小时充电且电量不足以行驶长途的汽车犹豫不决。电池可能着火也无济于事。

长期以来，固态电池一直被认为是电动汽车的潜在更好替代品，但我们尚未看到配备固态电池的电动汽车进入装配线。随着全球主要汽车制造商大力投资该技术，这种情况可能在不久的将来发生改变。

2023年，丰田宣布与日本能源公司出光兴产合作，计划于2027-2028年开始生产固态电动汽车电池，然后进行量产。

丰田汽车公司总裁兼首席执行官佐藤浩二表示：“通过反复试验并结合两家公司的材料技术，我们已经开发出一种性能优异的抗裂材料。”

与此同时，梅赛德斯-奔驰认为固态电动汽车电池的续航里程几乎是锂离子电池的两倍。该公司的目标是到 2030 年将其投入量产汽车，并于 2022 年与电池开发商 ProLogium Technology合作开发适用于电动汽车的固态电池。

2024年1月，ProLogium开设了全球首家千兆级固态电池工厂，预计将于2027年开始量产。满负荷生产时，该工厂每年将能够生产足够26,000辆电动汽车使用的电池。

ProLogium 创始人兼首席执行官 Vincent Yang 表示：“经过 17 年的专注努力，ProLogium 很高兴向世界展示下一代固态电池。现在是时候了。”

最近，大众汽车的电池公司 PowerCo 与电池开发商 QuantumScape 达成协议，允许其使用该公司的部分固态锂金属电池技术每年生产足够 100 万辆电动汽车使用的电池。

该技术的特点是陶瓷隔板一侧为固体电解质，另一侧为液体电解质。据 QuantumScape 称，这种方法有助于避免形成树枝状晶体（一种可能导致固态电池短路的尖刺结构），同时可能将电动汽车的续航里程从 350 英里增加到 500 英里。

PowerCo 首席执行官 Frank Blome表示： “通过此次合作，我们的目标是为客户带来最具可持续性和最先进的电池单元。多年来，我们一直在合作和测试 QuantumScape 原型电池，我们期待着将这项未来技术投入批量生产。”

支持电网

虽然太阳能和风能是廉价而丰富的能源，但它们也不稳定。为了解决这个问题，一些发电厂将多余的太阳能或风能储存在电池储能系统 (BESS) 中，以便在没有阳光或没有风的时候使用。

目前，锂离子电池是 BESS 的标准，但固态电池可能是更好的选择，因为它们的安全性更高、使用寿命更长、能量密度更高。不过，我们首先需要解决这种尺寸的电池的成本和制造复杂性问题。

Dragonfly Energy 是尝试这样做的公司之一。2023 年，该公司获得了一项制造技术专利，并表示该技术将帮助其克服制造用于电网存储的固态电池的挑战。

Dragonfly 写道：“该技术不再需要大型干燥室，取代了需要大量时间和昂贵重型机械的方法；使得该过程在较小的占地面积内具有高度可扩展性，并允许在较短的时间内以较低的成本提高产量。 ”

与此同时，总部位于马里兰州的电池制造商 Ion Storage Solutions 刚刚于 2024 年 4 月开设了一家工厂，该工厂将生产采用陶瓷电解质和锂金属阳极的固态电池，用于电网存储、电动汽车和其他应用。其目标是到 2028 年将产能扩大到 0.5 GWh。

首席执行官 Ricky Hanna表示： “从一开始，我们的目标就是开发一种先进的固态电池，提供更高的功率、可靠性和安全性，同时可扩展生产。这座新工厂是同类工厂中规模最大的工厂之一，标志着我们朝着实现这一愿景迈出了重要一步。”

总体情况

尽管配备固态电池的电动汽车可能还需要几年时间才能真正投入使用，甚至可能需要更长时间才能帮助巩固清洁电网，但看到这项技术最终走出实验室，进入工厂，还是令人鼓舞的。

就像过去的电池设计一样，第一批进入市场的固态电池也不太可能是该技术的最佳版本。

今年 1 月，哈佛大学的研究人员推出了一种阳极含有硅的固态电池，可在 10 分钟内充电。就在本周，丹麦研究人员报告称，他们开发出了一种由岩石中的矿物质制成的无锂固态电池。

丹麦技术大学研究员 Mohamad Khoshkalam 表示：“我们已经证明，我们可以找到一种廉价、高效、环保、可扩展的固态电解质材料，其性能甚至比固态锂基电解质更好。”

只要这种创新继续下去，我们似乎注定会在未来看到由各种材料制成的固态电池帮助我们的科技设备使用寿命更长、我们的电动汽车行驶更远、我们的电网更清洁、更稳定。

​氧化锆珠在固态电池中的作用

氧化锆珠作为一种高性能研磨介质，在固态电池生产中发挥着重要作用。固态电池采用固体电解质代替传统的液体电解质，以提高安全性和能量密度。而制备高质量的固体电解质材料，是确保固态电池性能的关键。

提高材料均匀性

在固态电池的制造过程中，均匀分散和混合电解质材料至关重要。氧化锆珠具有高硬度和高密度的特点，可以在研磨过程中有效打碎和分散材料，使其颗粒更加均匀，从而提高电解质的整体性能。

提升电池性能

通过使用氧化锆珠进行研磨，可以显著改善固态电解质的导电性能和机械强度。这不仅提升了电池的能量密度，还延长了电池的使用寿命，满足了电动汽车和其他高性能应用的需求。

降低生产成本

高效的研磨过程可以减少电解质材料的浪费，优化生产流程，降低生产成本。氧化锆珠的耐磨性和化学稳定性使其成为一种理想的研磨介质，在长时间使用中仍能保持其性能稳定，进一步降低了生产设备的维护成本。

总结

氧化锆珠在固态电池生产中，通过提高材料均匀性、提升电池性能和降低生产成本，发挥了不可或缺的作用。随着固态电池技术的不断发展，氧化锆珠的应用前景将更加广阔，为电动汽车和储能系统的未来发展提供坚实的基础。