作为锂离子电池的替代品，它将助力创造更安全、更环保的未来。
现在是2030年，你刚刚购买了你的第一辆电动汽车。你之所以下定决心买它，是因为该车采用了固态电池——你的智能手机和其他科技设备也用了这种高能量密度、超安全的电池。数以百万计的司机很快就会加入你的行列，而吸引他们的正是固态电池更长的续航、更低的火灾风险和更低的成本。
固态电池
电的发现改变了世界，催生了无数发明，让我们的生活变得更安全、更健康、更高效，也更愉快。电池则将这一发现推向了新的高度，它为我们提供了一种储存电力并为移动设备供电的渠道。
如今，锂离子电池在电池市场占据了主导地位，但更安全、容量更大的固态电池有望成为世界未来的动力，甚至有可能帮助我们避免气候变化所造成的最严重的潜在后果。
为了了解其中的奥秘，让我们来了解一下电池的发展历史、最新的技术突破以及近期这股预示着固态电池或将很快取代锂离子电池的趋势。
固态电池是个例外
在过去的200年里，科学家使用不同的材料制造电池，从而不断对电池技术进行创新，但自1799年第一块电池问世以来，它的基本设计并没有发生太大变化。电池通常包括用某种材料制成的阳极、用另一种材料制成的阴极，以及一种液态或接近液态的电解质。
固态电池是最出名的例外。不过，尽管它几十年来一直被誉为“未来的电池”——它比锂离子电池更轻、更安全、更强劲、能量密度更高——但其发展一直受制于高昂的成本、困难的工艺以及容易短路的问题。
然而，经过几十年的研究，固态电池似乎终于可以兑现自己的承诺——小到最微型的科技设备，大到整座建筑，它都将为之提供动力。
从“小”做起
一些小型固态电池已经在钟表和医疗植入物中投入使用，但电子元件制造商东电化（TDK）的一项新突破即将大幅推动这一趋势。
2024年6月，该公司宣布已开发出旗下“瓷充”（CeraCharge）固态电池的新版本，其能量密度达到每升1000瓦时，是现有瓷充款电池的100倍。
东电化尚未透露太多有关制造该电池的专有技术，但表示该电池采用了锂合金阳极和一种基于氧化物的固态电解质，这让它“极为安全”。
由于新款瓷充款电池的储电量远远超过其上一代产品，因此可以让设备更耐用，而且体积更小。它还可以成为纽扣电池（即“手表电池”）的可充电替代品——尽管纽扣电池能量密度高，但只能一次性使用。
东电化能源单元开发部主管佐藤洋（Hiroshi Sato）在接受自由思考网（Freethink）采访时表示：“我们相信，通过将大量的一次性电池替换为可充电电池，可以为减少环境影响作出贡献。”
最初，东电化设想将新款瓷充电池用于无线耳机、助听器和智能手表，但如果该公司能够解决制造方面的难题，未来它可能会应用于智能手机等更大的设备。
佐藤洋表示：“挑战在于，随着电池面积的增加，制造均匀且高密度的结构就会变得困难，从而导致如裂纹和变形等结构性缺陷。”
他继续说道：“针对这些挑战，我们希望首先积累小型电池的生产和实践经验，然后再探索制造大型电池的可能性。”
上路
与几十年前相比，如今大多数电动汽车使用的锂离子电池更经济实惠、功能更强大，但它们的缺点正在减缓世界从内燃机汽车向电动汽车的转型。
有些人不愿意购买一辆充电时间长达数小时、电量却不一定能支撑长途行驶的汽车。此外，电池起火的风险也让人望而却步。
长期以来，对电动汽车而言，固态电池一直被认为可能是更好的选择，但迄今为止，尚未有配备固态电池的电动汽车进入生产线。这一情况可能在不久的将来发生改变，因为全球各大汽车制造商都在大力投资这项技术。
2023年，丰田宣布与日本能源公司出光兴产合作，计划在2027至2028年开始制造固态电动汽车电池，随后将进入大规模生产阶段。
丰田汽车公司总裁兼首席执行官佐藤恒治（Koji Sato）表示：“通过反复试验，并结合两家公司的材料技术，我们开发出了一种具有高性能的抗裂材料。”
与此同时，梅赛德斯-奔驰公司相信，固态电动汽车电池的续航里程可能达到锂离子电池的两倍。该公司的目标是截至2030年将固态电池应用于量产车辆。2022年，奔驰与电池开发商辉能科技合作，研发适用于电动汽车的固态电池。
2024年1月，辉能科技开设了全球首家千兆级固态电池工厂?，预计将于2027年开始大规模生产。工厂满负荷运行时，每年可生产足够26 000辆电动汽车使用的电池。
辉能科技的创始人兼首席执行官杨思枏表示：“经过17年的不懈努力，辉能科技很高兴能向世界展示下一代固态电池。时机已到。”
更近一些时候，大众汽车的电池子公司能合（PowerCo）与电池开发商量子景观（QuantumScape）达成了一项协议，允许后者使用该公司的部分固态锂金属电池技术，每年为多达100万辆电动汽车生产足够的电池。
这种技术的特点是在陶瓷隔膜的一侧使用固态电解质，另一侧则使用液态电解质。据量子景观称，这种方法有助于避免形成枝晶（一种会导致固态电池短路的尖刺结构），同时有可能将电动汽车的续航里程从560公里提升至800公里。
“通过此次合作，我们希望为客户提供最具可持续性、最先进的电池单元，”能合公司的首席执行官弗兰克 · 布洛梅（Frank Blome）表示，“多年来，我们一直在合作并测试量子景观的原型电池，我们期待着将这项未来技术投入量产。”
支撑电网
虽然太阳能和风能是廉价且丰富的能源，但它们也具有不稳定性。为了解决这个问题，一些电厂会将多余的太阳能或风能储存在电池储能系统（BESS）中，以备阳光不足或风力不足时使用。
目前，锂离子电池是电池储能系统的标准选择，但固态电池由于安全性更高、使用寿命更长、能量密度更大，可能会是更好的选择。不过，首先需要解决的是这一尺寸下电池的成本和复杂的制造工艺问题。
蜻蜓能源（Dragonfly Energy）就是试图解决这个问题的公司之一。2023年，该公司获得了一项制造技术专利，并表示这项技术将帮助其克服制造供电网储能使用的固态电池时所面临的挑战。
蜻蜓能源写道：“这项技术无需大型干燥室，取代了需要大量时间和昂贵重型设备的方法，使制造流程可以在较小的占地面积内高度扩展，并允许在较短的时间内以更低的成本提高产量。”
与此同时，总部位于美国马里兰州的电池制造商离子储存（Ion Storage Solutions）在2024年4月开设了一家工厂?，生产用于电网储能、电动汽车及其他应用的固态电池，电池芯采用陶瓷电解质和锂金属阳极。该公司的目标是到2028年将产能扩大到5亿瓦时。
“从一开始，我们的目标就是开发出一种先进的固态电池，它能提供更强的动力、可靠性和安全性，同时还能进行规模化生产，”该公司的首席执行官瑞奇 · 汉纳（Ricky Hanna）表示，“这座新工厂是同类中规模最大的工厂之一，标志着实现这一愿景的重要一步。”
展望全局
虽然配备固态电池的电动汽车可能还需要数年时间才能驶出停车场，而在那之后可能还需要更长的时间，固态电池才能帮助支撑电网，但这项技术终于走出实验室、进入了工厂?，这仍然很鼓舞人心。
与过去的电池设计一样，第一批投放市场的固态电池也不太可能是这项技术的最佳版本。
2024年1月，美国哈佛大学的研究人员发布了一款阳极含硅的固态电池，可以在10分钟内完成充电。而就在2024年7月，丹麦的研究人员宣布，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。
丹麦技术大学的研究员穆罕默德 · 霍什卡拉姆（Mohamad Khoshkalam）表示：“我们已经证明，可以找到一种固态电解质材料，它价格低廉、高效、环保、可扩展，甚至比基于锂的固态电解质性能更好。”
只要这项创新继续发展下去，我们似乎注定会迎来一个未来：由各种材料制成的固态电池会让我们的科技设备变得更耐用，让我们的电动汽车开得更远，让我们的电网更清洁、更稳定。
资料来源 Big Think
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本文作者克里斯汀·豪瑟（Kristin Houser）是一位经验丰富的科学作者，主要关注与生活息息相关的科学技术领域
