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全固态电池及其在电动汽车中的未来

固态电池是未来一代电池最有前途的解决方案之一,其高的热稳定性使其比传统电动汽车电池更安全、更持久。

电动汽车,固态电池

图片来源:Eakasit/Shutterstock.com

全固态电池

全固态电池(SSBs)使用固体电解质、无碳阳极和阴极复合层。在充电或放电过程中,离子迁移到具有离子导电性的固体基质中,而不是迁移到溶解在溶液中的离子盐中。

固态电池通过氧化还原反应储存和分配能量。阴极经过还原,阳极经过氧化,使电池可以根据需要储存和释放能量。

全固态电池与液体锂离子电动汽车电池有何不同?

与传统电动汽车锂离子电池使用的聚合物凝胶或液体电解质不同,固态电池使用的固体电解质由玻璃、陶瓷、固体聚合物或亚硫酸盐组成。

固态电池的优点

全固态电池承诺更大的能量存储密度,提高可靠性和耐磨性,快速充电,最重要的是,提高操作安全性。在高温下,液体电解质变得易挥发和易燃。另一方面,固体电解质具有很高的热稳定性,这就限制了火灾或爆炸的风险。

固态电池由于体积小,单位面积的能量密度更高。固态电池的能量密度比同等尺寸的锂离子电池高10倍。

用于电动汽车的现代锂离子电池通常可以使用2000到3000次,然后才会出现明显的退化,而高密度固态电池可以接近10000次。

固态电池最终能取代电动汽车中的锂离子电池吗?

理论上,固态电池可以取代电动汽车中的锂离子电池。宝马、福特、丰田和大众等汽车制造商已经在这项技术上进行了投资。然而,目前固态电池在实验室中是单件制造的,大规模生产是一个昂贵和不发达的过程。

锂离子电池在过去30年里一直主导着市场。然而,它们在电动汽车上的应用有一些缺点。锂离子电动汽车电池不能频繁充电;因此,司机被迫使用单次充电。锂离子电池也可能引发火灾或爆炸,因为它们含有易燃液体电解质。

另一方面,固态电池有更高的热稳定性,它们可以比锂离子电池多储存50%的能量。此外,锂离子电池严重依赖镍和钴,这两种材料正面临供应限制和价格上涨。

开发固态电池的电动汽车制造商

Nissan-Renault-Mitsubishi

日产(Nissan)、雷诺(Renault)和三菱(Mitsubishi)宣布将在电动汽车领域总计投资230亿欧元。此外,该联盟计划在2028年年中实现全固态电池(SSB)的广泛商业生产。

合作伙伴认为,向全固态电池的过渡将使电动汽车和传统汽车的成本平衡。

丰田

日本制造商,丰田多年来,该公司一直在关注固态电池行业,甚至拥有最多的固态电池专利。然而,这家世界上最大的汽车制造商加大了赌注,宣布承诺在2030年前投资135亿美元开发下一代固态电池。

三星

两年前,三星推出了高性能、耐用的全固态电池。这种原型电池一次充电可以驱动电动汽车行驶800公里,充电次数超过1000次。

QuantumScape

量子景观被认为是固态电池领域的领导者。这家公司位于加州圣何塞,由大众、比尔·盖茨和上汽集团支持。

QuantScape已经开发出一种固态电池,可以在15分钟内从0充电到80%,而锂离子电池需要60分钟才能从10%充电到80%。这种电池的能量密度比锂离子电池高80%。

固态电池的研究与发展

纯硅阳极固态电池

加州大学圣地亚哥分校的工程师与LG能源解决方案公司合作开发一种新的可充电固态电池。科学家们将固态硫化物电解质和硅阳极结合在一个设备中,完全摒弃了锂和碳。

该电池在测试中证明了其安全性、耐用性和高能量强度。原型机可以承受500次充放电循环,在室温下保持80%的容量。这项技术为电力运输、能源储存和其他领域开辟了广阔的前景。

MIT的新电极设计

麻省理工学院的研究人员已经开发出了混合离子电子导体(MIECs)以及电子和锂离子绝缘体。这是一个带有纳米级MIEC管的3D蜂窝状建筑。管子里充满了锂,锂就形成了阳极。

这项发现的一个关键部分是蜂窝结构允许锂在充放电过程中膨胀和收缩。阳极的呼吸避免了电池的破裂。管的涂层作为一个屏障,保护它们免受固体电解质的伤害。这种固态电池可以防止液体或凝胶注入,从而消除树突。

固体电池的未来展望

一段时间以来,固态电池一直被视为电动汽车发展的下一步。它们更轻,储存更多的能量,比液体燃料更不易燃。直到最近,两个重要的障碍仍然存在——这种电池的成本和耐用性。

此外,固态电池存在固有的化学缺陷。经过几次充放电循环后,由于锂枝晶的积聚,它们开始退化。枝晶是一种微小的、树枝状的锂颗粒,会生长并穿透电池,导致短路和其他问题。

一旦这些问题得到有效解决,一场新的电池革命必将在未来开始。

参考资料及进一步阅读

克劳福德,M.(2022)。固态电池驱动未来电动汽车市场.ASME(在线)。可以在:https://www.asme.org/topics-resources/content/solid-state-batteries-drive-the-future-of-the-ev-market(2022年6月22日访问)

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欧维斯阿里

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欧维斯阿里

NEBOSH认证机械工程师,具有3年的技术作者和编辑经验。Owais对职业健康和安全、计算机硬件、工业和移动机器人感兴趣。在他的学术生涯中,Owais参与了几个关于移动机器人的研究项目,特别是自主灭火移动机器人。设计的移动机器人能够自主导航、探测和灭火。采用Arduino Uno作为微控制器,控制火焰传感器的输入输出。除了他的职业生涯,欧维斯还是一个狂热的书迷和计算机技术爱好者,喜欢让自己了解计算机行业的最新发展。

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  • 美国心理学协会

    阿里,欧维斯。(2022年,6月6日)。全固态电池及其在电动汽车中的未来。AZoCleantech。2022年7月29日从//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1598检索到。

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    阿里,欧维斯。“全固态电池及其在电动汽车中的未来”。AZoCleantech.2022年7月29日。< //www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1598 >。

  • 芝加哥

    阿里,欧维斯。“全固态电池及其在电动汽车中的未来”。AZoCleantech。//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1598。(访问2022年7月29日)。

  • 哈佛大学

    奥维斯的阿里,2022年。全固态电池及其在电动汽车中的未来.AZoCleantech,查看2022年7月29日,//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1598。

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