固體能源系統(tǒng)公司今年將在無人機(jī)上應(yīng)用更安全的鋰電池，并將于2021年之后將其用于汽車。
鋰離子電池號(hào)稱容量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，有可能導(dǎo)致傷亡，產(chǎn)品可能會(huì)被召回，乘客也可能會(huì)被禁止攜帶鋰電池搭乘飛機(jī)。
研究人員宣稱固態(tài)鋰電池是一種更安全的電池。固態(tài)電池技術(shù)將用塑料或陶瓷等惰性固體代替易燃液體電解質(zhì)。研究人員幾十年來一直在追求固態(tài)電池技術(shù)，卻沒有推出任何產(chǎn)品。
現(xiàn)在，位于美國(guó)馬薩諸塞州的固體能源系統(tǒng)公司（SolidEnergy Systems）計(jì)劃成為第一家銷售此類電池的公司。這家初創(chuàng)公司表示，新電池的電能存儲(chǔ)容量是相同重量的傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。
這意味著設(shè)備的續(xù)航時(shí)間是原來的兩倍。例如，現(xiàn)在“先進(jìn)無人機(jī)上裝載有傳感器、攝像頭和處理器，電池只能續(xù)航20分鐘，而且很重。”創(chuàng)始人胡啟超（Qichao Hu，音）說。使用固體能源系統(tǒng)公司的新型電池，這些無人機(jī)可以飛行40分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。
該公司目前正在測(cè)試用于無人機(jī)的電池，預(yù)計(jì)將在今年年末開始銷售，隨后將在2019年推出用于可穿戴設(shè)備的電池，在2021年后推出用于電動(dòng)車輛的電池。
當(dāng)今的電池使用鋰鹽的稀溶液作為電解質(zhì)，其作用是在碳陽(yáng)極和鋰過渡金屬氧化物陰極之間來回傳輸離子。一些陶瓷、聚合物和玻璃材料也能很好地發(fā)揮這個(gè)作用。除了比液體電解質(zhì)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，鋰離子電池的先驅(qū)們最初是選擇金屬鋰作為陽(yáng)極。但是鋰金屬陽(yáng)極很快就會(huì)長(zhǎng)出一種叫做枝晶的苔蘚狀晶須，它可以到達(dá)陰極并縮短電池壽命，因此電池研究人員改用碳作為陽(yáng)極。
固體能源系統(tǒng)公司的變通方案是將純鋰箔制成超薄陽(yáng)極，再涂上一層混合聚合物陶瓷電解質(zhì)（這種電解質(zhì)可以抑制樹突生長(zhǎng)），并將另一種電解質(zhì)——鋰鹽糊狀物涂在陰極上。
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。胡啟超說，從技術(shù)上講，這款設(shè)備是一種半固態(tài)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500瓦時(shí)/千克，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)充電次數(shù)是1000次以上。
“很多人試圖找到百分百完美的固態(tài)方案，”胡啟超說，“但我們認(rèn)為我們的半固體方案已經(jīng)夠好了。”
但其他一些實(shí)驗(yàn)室仍然專注于終極固態(tài)電池的愿景。去年，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的約翰•古迪納夫（John Goodenough）發(fā)布了一款固體玻璃電池。他和他的同事瑪麗亞•海倫娜•布拉加（Maria Helena Braga）使用了一種摻鋰玻璃材料作為電解質(zhì)。他們?cè)?月份發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》的最新設(shè)計(jì)中提到，他們將一種特殊的軟化劑溶液涂在柔性陰極上。
固態(tài)電池的一個(gè)問題是，由于各種材料的膨脹和收縮速率不同，電池的接口處會(huì)破裂。布拉加說，軟化劑起到了防止開裂的作用。新型電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍，可以重復(fù)充電2.3萬次。
最近，行業(yè)巨頭也開始投資固態(tài)電池。本田、日產(chǎn)和豐田已經(jīng)與松下公司合作，為電動(dòng)車輛研發(fā)固態(tài)電池。但一些高調(diào)進(jìn)行收購(gòu)的固態(tài)技術(shù)初創(chuàng)公司已經(jīng)黯然失色。2015年，戴森公司收購(gòu)了密歇根大學(xué)的衍生公司Sakti3，計(jì)劃開發(fā)一款電動(dòng)車輛用蓄電池。德國(guó)巨頭博世公司則收購(gòu)了來自勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的固態(tài)聚合物電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo。這兩家公司后來都放棄了這些技術(shù)。
LBNL的科學(xué)家兼化學(xué)工程師尼塔什•巴爾薩拉（Nitash Balsara）于2007年和其他LBNL同僚共同創(chuàng)辦了Seeo，他說制造鋰金屬電池不容易。“總體來說，只要它是免費(fèi)的，電池行業(yè)會(huì)非常關(guān)注安全性。”他說，“我認(rèn)為（這是）一個(gè)錯(cuò)誤。開發(fā)和使用真正安全的鋰電池，還有一段路要走。”
巴爾薩拉現(xiàn)在擁有一家新的創(chuàng)業(yè)公司——藍(lán)色電流（Blue Current），它正在完善一種聚合物-陶瓷混合電解質(zhì)。聚合物沒有陶瓷導(dǎo)電性好，但陶瓷很易碎。這款混合電解質(zhì)“融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，將更多的能量注入電池中，而且當(dāng)汽車受到撞擊時(shí)，它也不會(huì)破裂。”巴爾薩拉說。
紐約賓厄姆頓大學(xué)的化學(xué)教授，鋰離子研究先驅(qū)M•斯坦利•惠廷漢姆（M. Stanley Whittingham）說，固態(tài)電池最終會(huì)有效，但現(xiàn)在仍然面臨著工程挑戰(zhàn)。他說：“近期，鋰離子電池還是不可替代的。”并預(yù)測(cè)未來5到10年內(nèi)，固體和半固體電池將小規(guī)模投入市場(chǎng)。他表示：“最終還是要看它們的成本是多少。”
固體能源系統(tǒng)公司的電池的售價(jià)合每千瓦時(shí)500美元，比傳統(tǒng)的鋰離子電池貴得多，目前鋰離子電池的售價(jià)僅約為200美元。但胡啟超預(yù)計(jì)，隨著制造業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大，其成本將會(huì)下降，并且他正與主要的電池制造商進(jìn)行談判。
“我們還沒有準(zhǔn)備好進(jìn)軍電動(dòng)車輛，那是我們的最終目標(biāo)。”胡啟超承認(rèn)，“但我們已經(jīng)可以滿足無人機(jī)的關(guān)鍵性能需求，并在電動(dòng)車輛蓄電池方面不斷取得重大進(jìn)展。”
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