固态电池的设计改进方案进展解读

多年来，电池能效越来越高，但是研究人员仍然致力于继续寻找改进原始设计的方法。在许多日常设备中，不管它们是可充电的还是植入机器中的，电池仍然是主要的电源。尤其是电动汽车和某些类型的机器人，都是依靠电池才能正常工作的新兴技术。改进电池设计以延长电池寿命，仍然是重中之重。多所大学的研究人员正在牵头进行技术改进，而这项技术的核心，并没有发生太大变化。

固态电池的改进

康奈尔大学的研究人员最近开展了一项研究旨在改进固态电池的设计。研究人员从液态电解质开始，将其转化为电化学电池内部的固态聚合物，从而提高了固态电池的设计水平。研究人员利用液体和固体的特性，来克服当前电池设计中的关键限制。这项研究与寻求可充电电池技术，以安全地为电动汽车、自动驾驶汽车和机器人等下一代产品提供电源的行业需求不谋而合。

康奈尔大学的博士后研究员Qing Zhao解释说：“想像一下装满冰块的玻璃杯：有些冰会接触到玻璃杯，但是它们之间仍然有空隙。但是，如果您将玻璃装满水并将其冷冻，空隙将被完全覆盖，在玻璃的固体表面与液体之间，建立起牢固的联系。在电池设施中，也有类似的概念，可以帮助离子从整个电池电极的固体表面上转移到电解质上去，速率很高，而且无需使用可燃液体。”

该工艺引入了能够在电化学电池内部引发聚合反应，而不会损害电池其它功能的特殊分子。如果电解质是环状醚，则该特殊分子可以设计为开环，从而产生反应性单体链，这些单体链结合在一起，形成与醚基本化学性质相同的长链状分子。这种固体聚合物在金属界面处保持紧密连接，就像玻璃中的冰一样。

固态电解质除了提高电池安全性外，还有利于使用包括锂和铝在内的金属作为阳极的下一代电池，实现比当今最先进的电池技术更多的能量存储。在这种情况下，固态电解质可防止金属形成树枝状晶体，而这种现象会导致电池短路并导致过热和故障。

尽管具有潜在的优势，固态电池至今仍未大规模生产。原因包括高昂的制造成本和早前设计中的不良界面性能。由于固态系统对热变化具有较高的稳定性，因此可以在一定程度上避免电池冷却的需要。

康奈尔大学的这一研究发现，为制造可用于各种应用场景的固态电池开辟了一条全新的道路。制造固态聚合物电解质的策略令人兴奋，因为它显示出有延长高能量密度可充电金属电池循环寿命和充电能力的希望。

锂电池中的混合阴极

麻省理工学院和中国的研究人员，已经开发了最新的锂电池关键部件：阴极。此开发活动是开发更小、更轻且运行时间更长的电池的广泛研究的一部分。

研究团队将其概念描述为“混合”阴极，因为它结合了两种现有方法，一种是增加每磅的能量输出（重量能量密度），另一种是增加每升的能量（体积能量密度）。他们说，这种协同组合的产物，不但兼具两者的优势，还具有更多其它优势。

现在的锂电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的阴极（电池中两个电极之一），但硫磺阴极电池被认为是最有可能减轻重量的替代方法。如今，锂硫电池的设计人员面临着一个权衡。

这种电池的阴极，通常通过嵌入型或转换型这两种制造方式中的一种来制造。嵌入型，使用诸如钴酸锂之类的化合物，可提供较高的体积能量密度——由于其密度高，单位体积可以填充更多。这些阴极可以在将锂原子结合到其晶体结构中的同时保持其结构和尺寸。

另一种阴极方法称为转化型，它使用的硫在结构上发生了转化，甚至可以暂时溶解在电解质中。

麻省理工学院核科学与工程学和材料科学与工程学教授Ju Li说：“从理论上讲，这些电池具有非常好的重量能量密度，但是体积密度很低。”一部分原因是因为它们需要许多额外材料（包括过量的电解质和碳），用于提供导电性。

在混合系统中，研究人员设法使用两种方法合成一个新的阴极，该阴极结合了一种叫做Chevrel相的硫化钼和纯硫，它们似乎兼具两者的优点。他们使用了两种材料的颗粒，并将它们压制成固体阴极。

“就像炸药中的引爆剂和TNT一样，一种是速效的，一种是使每单位重量具有更高能量的方法。”Li说。

其它的优点包括，组合材料的电导率相对较高，因此减少了对碳的需求并相应降低了总体积。典型的硫阴极由20％到30％的碳组成，但是新的阴极只需要10％的碳。

使用新材料的最终效果是巨大的。当今商用锂电池的能量密度，约为每公斤250瓦时和每升700瓦时，而锂硫电池的最高能量约为每公斤400瓦时，但每升只有400瓦时。Li说，最新尚未经过优化过程的初始版本，目前已经可以达到每公斤360瓦时和每升581瓦时。它在能量密度方面可以击败锂电池和锂硫电池。

通过进一步的工作，Li说，“我们预计可以达到每公斤400瓦时和每升700瓦时，”后者相当于锂电池。与致力于开发大型原型电池的许多实验相比，该团队已经先行一步：与只测试容量仅为几毫安时的小型纽扣电池相比，他们已经生产了三层聚合物电池，标准容量超过1,000毫安时的电池，可用于电动汽车等产品。这可与某些商用电池相媲美，表明新设备确实符合其预期特性。

使用AI预测电池寿命

到目前为止，在失去太多电能以至于无法正常使用之前，新电池在充放电循环次数上还无法媲美锂电池。在这种情况下，Li说，限制是由于电池设计而不是阴极设计，并且“我们正在努力研究这个问题。”即使目前处于早期阶段，这对于某些利基应用也可能有用，例如远程无人机。在这类应用中，重量和体积都比寿命重要。

多所大学正在努力使各种类型的电池更节能、更安全，以用于工业和日常应用。

如果手机电池制造商能够确定哪些电池至少可以使用两年，那么他们就能把这些电池卖给手机制造商，剩下的则寄给那些要求较低的设备制造商。新的研究表明制造商是如何做到这一点的。该技术可用于对制造的电池进行分类，并帮助新的电池设计更快地进入市场。

斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的科学家发现，综合的实验数据和人工智能相结合，能够揭示如何在锂电池的容量开始下降之前，准确的预测电池的使用寿命。

在研究人员用几亿个电池充电和放电数据训练了机器学习模型之后，该算法可以根据早期循环中电压下降和其它因素，预测每个电池可以持续多少个循环。

这些预测均落在电池实际持续周期数的9％以内。该算法可根据前5个充电/放电循环数据，将电池的寿命分为长寿命或短寿命。在95％的时间内预测都是正确的。这种机器学习方法，可以加速新电池设计的研发，并减少生产时间和成本。

测试新电池设计的标准方法是实际将电池充电和放电，直到它们失效为止。由于电池使用寿命长，这个过程可能要花费数月甚至数年。斯坦福大学材料科学和工程学博士Peter Attia说，“ 这是电池研究中一个昂贵的瓶颈。”

Attia说新方法具有许多潜在的应用。例如，它可以缩短新型电池的验证时间，这在材料快速发展的情况下尤其重要。通过分类技术，可以将为电动汽车设计但使用寿命较短的电池改为为路灯或备用数据中心供电。回收商可以从用过的电动车电池组中找到具有足够容量的电池，以备再次使用。

另一可能性是优化电池制造。“制造电池的最后一步称为‘成型’，这可能需要数天至数周的时间。”Attia说，“使用我们的方法，可以大大缩短生产时间并降低生产成本。”

现在，研究人员正在使用他们的模型来优化电池以期实现10分钟内充好电的目标，他们说这将使充电时长减少10倍以上。

可充电锂电池

宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在通过使用固态电解质相间界面（SEI），开发具有更高能量密度、更优性能和安全性的可充电锂金属电池。随着对高密度锂金属电池需求的增加，SEI的稳定性一直是一个关键问题。研究人员说，由于电池锂电极表面的盐层会绝缘并传导锂离子，因此这方面的研究一度停滞。

“这一层非常重要，它是由锂和电池中电解质之间的反应自然形成的。”参与该研究的机械和化学工程学教授Donghai Wang说：“但是，它的表现并不很好，这会带来很多问题。”锂金属电池中人们最不了解的成分之一，就是SEI的降解，这可能会导致树突的形成，从而对性能和安全性产生负面影响。

“这就是为什么锂金属电池不能持续更长时间，中间相增长，并且不稳定的原因。”Wang说：“在这个项目中，我们使用了聚合物复合材料来创建更好的SEI。”

由化学博士Yue Gao领导研发的增强型SEI是一种反应性聚合物复合材料，由聚合物锂盐、氟化锂纳米颗粒和氧化石墨烯片组成。

使用化学和工程设计，不同领域之间的合作使该技术能够以原子级层面控制锂表面。反应性聚合物还降低了重量和制造成本，进一步加强了锂金属电池的美好未来。

有了更稳定的SEI，有可能使当前电池的能量密度增加一倍，同时使它们的使用寿命更长、更安全。