要點:
鋰離子電池的共同發明人之一，展示了一種固態電池，該電池釆用玻璃電解質和包括鋰、鈉或鉀在內的堿金屬陽極。鋰離子替代品可以幫助創造一個更安全、更環保的未來。在電動車領域，固態電池的廣泛應用將顯著延長行駛距離，解決當前電池續航力不足的問題。
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電力的發現徹底改變了世界，促使了許多提升我們生活質量的發明，使我們的生活變得更加安全、健康、高效和愉快。電池技術將這一發現提升到了新高度，讓我們能夠儲存電力並為各種行動裝置提供能源。
目前，鋰離子電池在市場上占據了主導地位，但固態電池作為更安全且容量更大的選擇，未來有望成為電池市場的新寵，甚至可能幫助我們應對氣候變遷帶來的嚴重挑戰。讓我們深入了解電池的發展歷程、最新的技術突破，以及固態電池如何可能迅速取代鋰離子電池的趨勢。
固態電池發展史
早在2021年，當福特和寶馬加大對美國固態電池公司Solid Power的投資時，固態電池就曾一度引起關注。同時，另一家固態電池公司Quantum Scape剛剛上市，其市值從30億美元迅速飆升至超過600億美元，被稱為“妖股”。這一時期，固態電池概念在全球范圍內引起了廣泛熱議，盡管當時Quantum Scape的產品尚未推出。
全固態鋰電池與液態鋰電池相比，其特點是結搆中不含任何液體，所有材料均為固態。這一特點使得全固態電池在安全性方面表現出色，能有效避免液態鋰電池常見的電解液泄露、燃燒和爆炸等風險。此外，全固態鋰電池在提高能量密度、擴展工作溫度范圍和延長使用壽命等方面也具有顯著優勢。
儘管固態電池技朮被認為具備許多潛在優勢，但固態電池仍面臨一些挑戰，包括高成本、電解質穩定性以及電流密度等問題。
站在今天這個時間點上，我們不妨回顧一下固態電池的曆史，或許會有一些啟發
在1831年至1834年間，邁克爾·法拉第/Michael Faraday發現了固態電解質硫化銀和氟化鉛（II），為固態離子電池的發展奠定了基礎。
到1950年代后期，固體電解質開始在一些電化學系統中得到應用。這些系統使用銀離子作為電解質，但它們的能量密度和電池電壓較低，同時內阻較高。1990年代，橡樹嶺國家實驗室/Oak Ridge National Laboratory開發了一種新型固態電解質，用於制造薄膜鋰離子電池。
2011年，Bolloré推出了BlueCar，這款電動車配備了30kWh的鋰金屬聚合物/LMP電池，釆用了將鋰鹽溶解在共聚物（聚氧乙烯）中的聚合物電解質。
2013年，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員宣布開發出一種固態鋰電池，該電池釆用基於鐵-硫化學物質的固態復合陰極，預期能實現更高的能量容量。
2014年，Sakti3的研究人員推出了固態鋰離子電池，聲稱這種電池具備更高的能量密度和更低的成本。同時，丰田公司也宣布了其固態電池的開發工作，并持有相關的專利。2015年，Sakti3被Dyson公司收購。
在2017年，約翰·古迪納夫/John Goodenough，鋰離子電池的共同發明人之一，展示了一種固態電池，該電池釆用玻璃電解質和包括鋰、鈉或鉀在內的堿金屬陽極。丰田宣布將深化與松下的長期合作關系，特別是在固態電池領域。此外，寶馬、本田、現代汽車和日產等汽車制造商也在積極開發固態電池技朮。家用電器制造商戴森/Dyson曾宣布但隨后放棄了電動汽車項目。Fisker Inc.聲稱其固態電池技朮將在2023年為“汽車級生產”做好准備，而火花塞制造商NGK也在研發基於陶瓷的固態電池。
2018年，Solid Power從科羅拉多大學博爾德分校剝離出來，并獲得了2000萬美元的資金，用於建立一條小型生產線，生產全固態可充電鋰金屬電池，年產能力預計為10兆瓦時。大眾汽車對固態電池初創公司QuantumScape進行了1億美元的投資，該公司源自斯坦福大學。中國的青濤公司也啟動了固態電池生產線。
總體來看，固態電池的發展曆程相對較短，大多數仍處於研發階段。2020年3月11日，三星高級技朮研究院/SAIT和日本三星研發中心/SRJ的研究人員在權威期刊“自然·能源”上發表了文章，指出如果使用銀-碳復合材料作為固態電池的陽極，固態電池將擁有更長的壽命、更高的能量密度和更高的安全性。三星研究人員還表示，這種固態電池如果用於電動汽車，單次充電續航可達到800公里，并且能夠循環充電1000次。
在過去的200年裡，科學家們通過使用不同的材料進行電池製造，不斷進行創新。然而，自1799年第一個電池問世以來，基本設計幾乎沒有發生過大變化：一個電極是陽極，另一個則是液體（或近似液體）的電解質。
固態電池是這一設計的主要例外。儘管固態電池被長期譽為未來的電池。因為它們更輕、更安全，且能量密度超過鋰離子電池。但它們一直受到成本、製造挑戰以及短路風險的制約。然而，經過數十年的研究，固態電池似乎終於準備好實現其潛力，為從微型技術到大型建築物的一切提供動力。
固態電池的商業新發展
目前，一些小型固態電池已經被應用於鐘錶、手錶和醫療植入物等領域，但電子製造商TDK的一項新突破即將推動這一趨勢進一步發展。
在6月，TDK宣布推出新版本的CeraCharge固態電池，其能量密度達到每公升1000瓦時，這是現有CeraCharge電池能量密度的100倍。雖然TDK尚未透露太多關於這種電池的專有技術，但它們透露這款電池採用了鋰合金陽極和基於氧化物的固體電解質，從而使其“極其安全”。
由於新型CeraCharge電池能容納更多電量，它可能會帶來更耐用或更小巧的設備。它還有可能成為紐扣電池（通常稱為“手錶電池”）的可充電替代品。紐扣電池雖具有高能量密度，但通常是一次性使用的。
TDK最初計劃將這款新型CeraCharge電池應用於無線耳機、助聽器和智慧手錶。如果公司能夠克服製造挑戰，它最終可能會擴展到智慧型手機等更大設備的應用。
如今，大多數電動車所使用的鋰離子電池比幾十年前更便宜、更強大，但這些電池的缺陷仍在阻礙從內燃機車輛的過渡。許多人對於需要幾小時充電的電動車感到猶豫，擔心其續航不足以滿足長途旅行需求，而電池可能著火的風險也未能消除顧慮。
固態電池長期以來被視為電動車的潛在更佳選擇，但目前尚未見到搭載固態電池的電動車投入量產。然而，隨著全球主要汽車製造商對這項技術的重點投資，這種情況可能很快會有所改變。2023年，豐田宣布將與日本能源公司出光興產合作，計劃於2027至2028年開始生產固態電池電動車，並隨後進行大規模生產。
豐田汽車/Toyota公司總裁兼執行長Koji Sato表示，“通過反覆試驗和錯誤，並結合兩家公司的材料技術，我們已經成功開發出高性能的抗裂材料。”
同時，奔馳/Mercedes-Benz也指出，固態電池的續航里程幾乎是鋰離子電池的兩倍。其目標是到2030年實現量產，並於2022年與電池開發商輝能科技/ProLogium Technology合作，共同開發電動車固態電池。
2024年1月，輝能科技啟用了全球首個千兆級固態電池工廠，計劃於2027年開始量產。輝能創始人兼首席執行官楊文森/Vincent Yang表示，“經過17年的專注努力，我們很高興向世界展示下一代固態電池。現在正是時候。”
此外，大眾汽車旗下的電池公司PowerCo與電池開發商QuantumScape達成了一項協議，允許PowerCo使用QuantumScape的固態鋰金屬電池技術，每年為多達100萬輛電動車生產足夠的電池。這項技術的特色在於其陶瓷隔板的一側使用固體電解質，另一側使用液體電解質。根據QuantumScape的說法，這種設計有助於避免形成枝晶（一種可能導致固態電池短路的尖刺結構），同時有望將電動車的續航里程從350英里提升至500英里。
PowerCo執行長對此表示，“通過這次合作，我們的目標是為客戶提供最可持續、最先進的電池。我們多年來一直在合作和測試QuantumScape的原型電池，期待將這項前沿技術投入批量生產。”
儘管太陽能和風能是價格低廉且豐富的能源來源，但它們的供應是變化無常的。為了解決這一問題，一些發電廠將多餘的太陽能或風能儲存於電池儲能系統/BESS中，以便在無光或無風時使用。
此外，鋰離子電池目前是電池儲能系統/BESS的標準選擇，但固態電池可能提供更優的選擇，因為它們具有更高的安全性、更長的使用壽命和更高的能量密度。然而，成本和製造複雜性仍然是需要解決的挑戰。
蜻蜓能源/Dragonfly Energy是致力於克服這些挑戰的公司之一。2023年，該公司獲得了一項製造技術專利，該技術據稱可以克服製造電網儲能固態電池的困難。這項技術消除了對大型乾燥室的需求，取而代之的是更高效、更經濟的製造方法，這使得在更小的空間內實現高度可擴展性，並能在更短的時間內以更低的成本提高產量。
同時，總部位於馬里蘭州的電池製造商Ion Storage Solutions在2024年4月開設了一家新工廠，專門生產使用陶瓷電解質和鋰金屬陽極的固態電池，這些電池將用於電網儲存、電動車等多種應用。該公司目標到2028年將產能擴大至0.5 GWh。執行長對外表示，“我們的目標是開發一種先進的固態電池，提供增強的動力、可靠性和安全性，同時確保生產過程的可擴展性。這個新設施是同類設施中最大的之一，標誌著實現我們願景的重要一步。”
儘管配備固態電池的電動車可能還需要幾年才能普及，甚至更長時間才能支撐清潔電網，但看到這項技術逐步從實驗室走向工廠是令人鼓舞的。就像過去的電池設計一樣，市場上首批固態電池可能不會是該技術的最終最佳版本。
今年一月，哈佛大學的研究人員推出了一種含矽陽極的固態電池，能在10分鐘內完成充電。而本週，丹麥的研究人員報告了他們開發的一種無鋰固態電池，該電池由岩石中發現的礦物質製成。研究人員表示，“我們已經證明，我們可以找到一種廉價、高效、環保且可擴展的固態電解質材料，其性能甚至超過了固態鋰基電解質。”
隨著固態電池技術的持續進步，我們正邁向一個由多種材料構建的固態電池主導的未來。這些電池的高能量密度和長壽命將顯著提升技術設備的耐用性，使我們的電子產品能在更長時間內穩定運行。
在電動車領域，固態電池的廣泛應用將顯著延長行駛距離，解決當前電池續航力不足的問題。這不僅能促進電動車的普及，還能減少對化石燃料的依賴，進而支持可持續交通系統的建設。同時，這些電池技術也將為電網儲能提供更清潔、更穩定的支持，有助於平衡可再生能源的波動，促使電網運行更加高效，從而實現更環保和可靠的能源供應系統。
