来自QuantumScape公司的固态电池

 

       编者按：固态电池的普遍应用会改变我们生活的方方面面，从手机、电脑、汽车、医疗设备到宇宙飞船。以往，我们觉得固态电池是很遥远的未来技术，但近来随着John Goodenough团队玻璃电池的创新，以及大众、福特、宝马、现代、丰田和比尔·盖茨都在固态技术研究上投入了数十亿美元，固态电池有可能成为我们触手可及的目标。本文译自Medium，作者Ella Alderson，原文标题为This Long-Awaited Technology May Finally Change the World，希望对您有所启发。

 

       设想一下：有一项正在测试的技术，一旦发布给公众，将导致一场期待已久的能源革命。这项新技术有望比我们现在市场上的任何技术都更安全、更有效。它将影响我们生活中一些平凡的东西，比如电动工具、玩具、笔记本电脑、智能手机,以及影响一些我们的生活中不常见的东西，比如医疗设备、宇宙飞船、新能源交通工具等。几个世纪前我们已就经知道这项技术了，但到目前为止，我们只能在创造的过程中迈出一小步。目前已经有数十亿美元投入研究，一旦技术完善并发布，还会有数十亿美元投入研究。

 

       这个描述听起来很像核聚变。然而，它实际上指的是电池技术领域即将到来的创新——特别是固态电池。虽然聚变能量和固态电池都被认为是未来的技术，不是当下可以普及的技术，但近年来，固态材料的发展和投资大幅增加。如今，有许多大公司和可靠的研究人员参与其中，我们似乎会在未来几年内看到固态电池的发布。

 

       一旦这种难懂、具有革命性的技术最终准备好大规模生产，我们能期待什么变化呢？

简化图，左图显示了传统电池的液体电解质，右图显示了固态电池的固体电解质。

 

       电池只不过是储存化学能并将其转化为电能的装置。它们有四个主要部分：负极、正极、电解质和隔膜。负极和正极是电极。当电子从一个电极传递到另一个电极时，电流就产生了。在这种情况下，电子从带负电的正极传递到带正电的负极。这两个电极的作用就是产生电流。电解质溶液允许带正电荷的离子在两个电极之间流动。这就平衡了电子的流动。最后，隔板使两个电极分开，防止电池短路。

 

       我们现在的电池和未来的固态电池有一个重要的区别：电解液。目前的锂离子电池都是液态电解质。不幸的是，液态电解质中的某些化合物允许晶体结构的生长，即树突。枝晶会产生又长又尖的晶须，会刺穿分离器，导致短路，从而导致危险的爆炸。顾名思义，固态电池有一种固态电解质，可以抑制这些有害树突的生长。更不用说电解液从液体变为固体时发生的惊人变化了。

 

       固态电池具有较高的能量密度，火灾和爆炸的风险大大降低，它占用更少的空间，并能够在更大跨度的温度范围内正常运行。举个例子，让我们看看这对汽车意味着什么。

 

       到目前为止，电动汽车最大的缺点是行驶里程有限。一辆普通的电动汽车充满电后可行驶250-300英里(402-483公里)。完全充满电需要1-17个小时，具体时间取决于汽车是在加油站充电还是在家里使用标准插座充电。不过，预计电动汽车的受欢迎程度将继续增长，最终将主导汽车行业。为了达到这一目标，电动汽车将需要将续航里程扩大到至少450英里(724公里)，同时让消费者买得起。

 

       现在我们来介绍一下固态电池。

 

       电动汽车的行驶里程将是目前的两倍或三倍。企业可以选择制造更小、更轻、充电更快的电池，或者保持电池的尺寸不变，但续航里程要大得多。充电时间也减少到15分钟。如果我们看看三星在固态电池方面的进步，就会发现他们能够开发出一种充电和放电次数超过1000次，每次充电可行驶500英里(805公里)的电池。这种电池有50万英里的电池寿命，同时还能在更极端的温度下高效工作。

 

       固态电池的优秀表现可能意味着汽油动力汽车的终结。对于笔记本电脑和智能手机来说，固态电池意味着设备一次充电可以使用好几天，电池的整体寿命从2年增加到10年以上。医疗设备可以变得更加便携和紧凑，而更大的温度范围意味着固态电池可以在未来的空间技术中应用。

 

       很多大公司也瞄准了固态电池的应用。大众、福特、宝马、现代、丰田和比尔·盖茨都在固态技术研究上投入了数十亿美元。比尔•盖茨投资的量子景观公司(QuantumScape)制造了具有陶瓷层的固态电池，这种电池可以抵抗枝晶生长，并能在较低温度下运行。丰田计划到2025年限量推出固态电池汽车。然而，最令人兴奋的突破来自一个你可能从未听说过的人。

CeraCharge制造的固态电池只有一粒米那么大。

 

       由物理学家John Goodenough领导的研究小组已经提交了一项玻璃和陶瓷固态电池的专利，这种电池稳定，不易燃，充电更快，较普通锂离子电池相比有3倍的能量存储。同样重要的是，这种电池价格合理，估计可以实现持续超过2000次充放电循环。这种玻璃电池（glass battery）的工作温度范围为-4ºF-140ºF(-20ºC-60ºC)。

 

       John Goodenough本人不是一个普普通通的科学家，他获得了8个科学奖项，包括诺贝尔化学奖。他过去改变世界的创新包括原始的锂离子电池和让你的电脑运行所需的RAM。他的参与——以及许多主要竞争公司的参与——使固态电池成为我们触手可及的目标。我们可能会在3到4年内开始看到这项技术的有限发布，尽管还很难说它何时会更广泛地向公众发布。

 

       固态电池代表的不仅仅是方便，它还代表着拯救世界的一个关键因素。性能更强的电动汽车可以为汽车市场带来巨大转变，使人们不再使用排放更大的汽油汽车。固态电池也可以用对地球友好的材料来生产，比如在我们丰富的海水中发现的钠。但也许最重要的是，固态电池的到来将代表我们最聪明的头脑的能力：使一项我们已经知道了几个世纪、梦想了几十年的技术成为现实的能力。它不一定永远都是未来的技术，也可以是今天的技术。