要点:
锂离子电池的共同发明人之一，展示了一种固态电池，该电池釆用玻璃电解质和包括锂、钠或钾在内的堿金属阳极。锂离子替代品可以帮助创造一个更安全、更环保的未来。在电动车领域，固态电池的广泛应用将显著延长行驶距离，解决当前电池续航力不足的问题。
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电力的发现彻底改变了世界，促使了许多提升我们生活质量的发明，使我们的生活变得更加安全、健康、高效和愉快。电池技术将这一发现提升到了新高度，让我们能够储存电力并为各种行动装置提供能源。
目前，锂离子电池在市场上占据了主导地位，但固态电池作为更安全且容量更大的选择，未来有望成为电池市场的新宠，甚至可能帮助我们应对气候变迁带来的严重挑战。让我们深入了解电池的发展历程、最新的技术突破，以及固态电池如何可能迅速取代锂离子电池的趋势。
固态电池发展史<br data-mce-fragment="1">早在2021年，当福特和宝马加大对美国固态电池公司Solid Power的投资时，固态电池就曾一度引起关注。同时，另一家固态电池公司Quantum Scape刚刚上市，其市值从30亿美元迅速飙升至超过600亿美元，被称为“妖股”。这一时期，固态电池概念在全球范围内引起了广泛热议，尽管当时Quantum Scape的产品尚未推出。
全固态锂电池与液态锂电池相比，其特点是结构中不含任何液体，所有材料均为固态。这一特点使得全固态电池在安全性方面表现出色，能有效避免液态锂电池常见的电解液泄露、燃烧和爆炸等风险。此外，全固态锂电池在提高能量密度、扩展工作温度范围和延长使用寿命等方面也具有显著优势。
尽管固态电池技术被认为具备许多潜在优势，但固态电池仍面临一些挑战，包括高成本、电解质稳定性以及电流密度等问题。
站在今天这个时间点上，我们不妨回顾一下固态电池的历史，或许会有一些启发<br data-mce-fragment="1">在1831年至1834年间，迈克尔·法拉第/Michael Faraday发现了固态电解质硫化银和氟化铅（II），为固态离子电池的发展奠定了基础。
到1950年代后期，固体电解质开始在一些电化学系统中得到应用。这些系统使用银离子作为电解质，但它们的能量密度和电池电压较低，同时内阻较高。 1990年代，橡树岭国家实验室/Oak Ridge National Laboratory开发了一种新型固态电解质，用于制造薄膜锂离子电池。
2011年，Bolloré推出了BlueCar，这款电动车配备了30kWh的锂金属聚合物/LMP电池，釆用了将锂盐溶解在共聚物（聚氧乙烯）中的聚合物电解质。
2013年，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员宣布开发出一种固态锂电池，该电池釆用基于铁-硫化学物质的固态复合阴极，预期能实现更高的能量容量。
2014年，Sakti3的研究人员推出了固态锂离子电池，声称这种电池具备更高的能量密度和更低的成本。同时，丰田公司也宣布了其固态电池的开发工作，并持有相关的专利。 2015年，Sakti3被Dyson公司收购。
在2017年，约翰·古迪纳夫/John Goodenough，锂离子电池的共同发明人之一，展示了一种固态电池，该电池釆用玻璃电解质和包括锂、钠或钾在内的堿金属阳极。丰田宣布将深化与松下的长期合作关系，特别是在固态电池领域。此外，宝马、本田、现代汽车和日产等汽车制造商也在积极开发固态电池技术。家用电器制造商戴森/Dyson曾宣布但随后放弃了电动汽车项目。 Fisker Inc.声称其固态电池技术将在2023年为“汽车级生产”做好准备，而火花塞制造商NGK也在研发基于陶瓷的固态电池。
2018年，Solid Power从科罗拉多大学博尔德分校剥离出来，并获得了2000万美元的资金，用于建立一条小型生产线，生产全固态可充电锂金属电池，年产能力预计为10兆瓦时。大众汽车对固态电池初创公司QuantumScape进行了1亿美元的投资，该公司源自斯坦福大学。中国的青涛公司也启动了固态电池生产线。
总体来看，固态电池的发展历程相对较短，大多数仍处于研发阶段。 2020年3月11日，三星高级技术研究院/SAIT和日本三星研发中心/SRJ的研究人员在权威期刊“自然·能源”上发表了文章，指出如果使用银-碳复合材料作为固态电池的阳极，固态电池将拥有更长的寿命、更高的能量密度和更高的安全性。三星研究人员还表示，这种固态电池如果用于电动汽车，单次充电续航可达到800公里，并且能够循环充电1000次。
在过去的200年里，科学家们通过使用不同的材料进行电池制造，不断进行创新。然而，自1799年第一个电池问世以来，基本设计几乎没有发生过大变化：一个电极是阳极，另一个则是液体（或近似液体）的电解质。
固态电池是这一设计的主要例外。尽管固态电池被长期誉为未来的电池。因为它们更轻、更安全，且能量密度超过锂离子电池。但它们一直受到成本、制造挑战以及短路风险的制约。然而，经过数十年的研究，固态电池似乎终于准备好实现其潜力，为从微型技术到大型建筑物的一切提供动力。
固态电池的商业新发展<br data-mce-fragment="1">目前，一些小型固态电池已经被应用于钟表、手表和医疗植入物等领域，但电子制造商TDK的一项新突破即将推动这一趋势进一步发展。
在6月，TDK宣布推出新版本的CeraCharge固态电池，其能量密度达到每公升1000瓦时，这是现有CeraCharge电池能量密度的100倍。虽然TDK尚未透露太多关于这种电池的专有技术，但它们透露这款电池采用了锂合金阳极和基于氧化物的固体电解质，从而使其“极其安全”。
由于新型CeraCharge电池能容纳更多电量，它可能会带来更耐用或更小巧的设备。它还有可能成为纽扣电池（通常称为“手表电池”）的可充电替代品。纽扣电池虽具有高能量密度，但通常是一次性使用的。
TDK最初计划将这款新型CeraCharge电池应用于无线耳机、助听器和智慧手表。如果公司能够克服制造挑战，它最终可能会扩展到智慧型手机等更大设备的应用。
如今，大多数电动车所使用的锂离子电池比几十年前更便宜、更强大，但这些电池的缺陷仍在阻碍从内燃机车辆的过渡。许多人对于需要几小时充电的电动车感到犹豫，担心其续航不足以满足长途旅行需求，而电池可能着火的风险也未能消除顾虑。
固态电池长期以来被视为电动车的潜在更佳选择，但目前尚未见到搭载固态电池的电动车投入量产。然而，随着全球主要汽车制造商对这项技术的重点投资，这种情况可能很快会有所改变。 2023年，丰田宣布将与日本能源公司出光兴产合作，计划于2027至2028年开始生产固态电池电动车，并随后进行大规模生产。
丰田汽车/Toyota公司总裁兼执行长Koji Sato表示，“通过反覆试验和错误，并结合两家公司的材料技术，我们已经成功开发出高性能的抗裂材料。”
同时，奔驰/Mercedes-Benz也指出，固态电池的续航里程几乎是锂离子电池的两倍。其目标是到2030年实现量产，并于2022年与电池开发商辉能科技/ProLogium Technology合作，共同开发电动车固态电池。
2024年1月，辉能科技启用了全球首个千兆级固态电池工厂，计划于2027年开始量产。辉能创始人兼首席执行官杨文森/Vincent Yang表示，“经过17年的专注努力，我们很高兴向世界展示下一代固态电池。现在正是时候。”
此外，大众汽车旗下的电池公司PowerCo与电池开发商QuantumScape达成了一项协议，允许PowerCo使用QuantumScape的固态锂金属电池技术，每年为多达100万辆电动车生产足够的电池。这项技术的特色在于其陶瓷隔板的一侧使用固体电解质，另一侧使用液体电解质。根据QuantumScape的说法，这种设计有助于避免形成枝晶（一种可能导致固态电池短路的尖刺结构），同时有望将电动车的续航里程从350英里提升至500英里。
PowerCo执行长对此表示，“通过这次合作，我们的目标是为客户提供最可持续、最先进的电池。我们多年来一直在合作和测试QuantumScape的原型电池，期待将这项前沿技术投入批量生产。”
尽管太阳能和风能是价格低廉且丰富的能源来源，但它们的供应是变化无常的。为了解决这一问题，一些发电厂将多余的太阳能或风能储存于电池储能系统/BESS中，以便在无光或无风时使用。
此外，锂离子电池目前是电池储能系统/BESS的标准选择，但固态电池可能提供更优的选择，因为它们具有更高的安全性、更长的使用寿命和更高的能量密度。然而，成本和制造复杂性仍然是需要解决的挑战。
蜻蜓能源/Dragonfly Energy是致力于克服这些挑战的公司之一。 2023年，该公司获得了一项制造技术专利，该技术据称可以克服制造电网储能固态电池的困难。这项技术消除了对大型干燥室的需求，取而代之的是更高效、更经济的制造方法，这使得在更小的空间内实现高度可扩展性，并能在更短的时间内以更低的成本提高产量。
同时，总部位于马里兰州的电池制造商Ion Storage Solutions在2024年4月开设了一家新工厂，专门生产使用陶瓷电解质和锂金属阳极的固态电池，这些电池将用于电网储存、电动车等多种应用。该公司目标到2028年将产能扩大至0.5 GWh。执行长对外表示，“我们的目标是开发一种先进的固态电池，提供增强的动力、可靠性和安全性，同时确保生产过程的可扩展性。这个新设施是同类设施中最大的之一，标志着实现我们愿景的重要一步。”
尽管配备固态电池的电动车可能还需要几年才能普及，甚至更长时间才能支撑清洁电网，但看到这项技术逐步从实验室走向工厂是令人鼓舞的。就像过去的电池设计一样，市场上首批固态电池可能不会是该技术的最终最佳版本。
今年一月，哈佛大学的研究人员推出了一种含矽阳极的固态电池，能在10分钟内完成充电。而本周，丹麦的研究人员报告了他们开发的一种无锂固态电池，该电池由岩石中发现的矿物质制成。研究人员表示，“我们已经证明，我们可以找到一种廉价、高效、环保且可扩展的固态电解质材料，其性能甚至超过了固态锂基电解质。”
随着固态电池技术的持续进步，我们正迈向一个由多种材料构建的固态电池主导的未来。这些电池的高能量密度和长寿命将显著提升技术设备的耐用性，使我们的电子产品能在更长时间内稳定运行。
在电动车领域，固态电池的广泛应用将显著延长行驶距离，解决当前电池续航力不足的问题。这不仅能促进电动车的普及，还能减少对化石燃料的依赖，进而支持可持续交通系统的建设。同时，这些电池技术也将为电网储能提供更清洁、更稳定的支持，有助于平衡可再生能源的波动，促使电网运行更加高效，从而实现更环保和可靠的能源供应系统。
