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來自QuantumScape公司的固態(tài)電池

 

       編者按：固態(tài)電池的普遍應用會改變我們生活的方方面面，從手機、電腦、汽車、醫(yī)療設備到宇宙飛船。以往，我們覺得固態(tài)電池是很遙遠的未來技術，但近來隨著John Goodenough團隊玻璃電池的創(chuàng)新，以及大眾、福特、寶馬、現(xiàn)代、豐田和比爾·蓋茨都在固態(tài)技術研究上投入了數(shù)十億美元，固態(tài)電池有可能成為我們觸手可及的目標。本文譯自Medium，作者Ella Alderson，原文標題為This Long-Awaited Technology May Finally Change the World，希望對您有所啟發(fā)。

 

       設想一下：有一項正在測試的技術，一旦發(fā)布給公眾，將導致一場期待已久的能源革命。這項新技術有望比我們現(xiàn)在市場上的任何技術都更安全、更有效。它將影響我們生活中一些平凡的東西，比如電動工具、玩具、筆記本電腦、智能手機,以及影響一些我們的生活中不常見的東西，比如醫(yī)療設備、宇宙飛船、新能源交通工具等。幾個世紀前我們已就經知道這項技術了，但到目前為止，我們只能在創(chuàng)造的過程中邁出一小步。目前已經有數(shù)十億美元投入研究，一旦技術完善并發(fā)布，還會有數(shù)十億美元投入研究。

 

       這個描述聽起來很像核聚變。然而，它實際上指的是電池技術領域即將到來的創(chuàng)新——特別是固態(tài)電池。雖然聚變能量和固態(tài)電池都被認為是未來的技術，不是當下可以普及的技術，但近年來，固態(tài)材料的發(fā)展和投資大幅增加。如今，有許多大公司和可靠的研究人員參與其中，我們似乎會在未來幾年內看到固態(tài)電池的發(fā)布。

 

       一旦這種難懂、具有革命性的技術最終準備好大規(guī)模生產，我們能期待什么變化呢？

簡化圖，左圖顯示了傳統(tǒng)電池的液體電解質，右圖顯示了固態(tài)電池的固體電解質。

 

       電池只不過是儲存化學能并將其轉化為電能的裝置。它們有四個主要部分：負極、正極、電解質和隔膜。負極和正極是電極。當電子從一個電極傳遞到另一個電極時，電流就產生了。在這種情況下，電子從帶負電的正極傳遞到帶正電的負極。這兩個電極的作用就是產生電流。電解質溶液允許帶正電荷的離子在兩個電極之間流動。這就平衡了電子的流動。最后，隔板使兩個電極分開，防止電池短路。

 

       我們現(xiàn)在的電池和未來的固態(tài)電池有一個重要的區(qū)別：電解液。目前的鋰離子電池都是液態(tài)電解質。不幸的是，液態(tài)電解質中的某些化合物允許晶體結構的生長，即樹突。枝晶會產生又長又尖的晶須，會刺穿分離器，導致短路，從而導致危險的爆炸。顧名思義，固態(tài)電池有一種固態(tài)電解質，可以抑制這些有害樹突的生長。更不用說電解液從液體變?yōu)楣腆w時發(fā)生的驚人變化了。

 

       固態(tài)電池具有較高的能量密度，火災和爆炸的風險大大降低，它占用更少的空間，并能夠在更大跨度的溫度范圍內正常運行。舉個例子，讓我們看看這對汽車意味著什么。

 

       到目前為止，電動汽車最大的缺點是行駛里程有限。一輛普通的電動汽車充滿電后可行駛250-300英里(402-483公里)。完全充滿電需要1-17個小時，具體時間取決于汽車是在加油站充電還是在家里使用標準插座充電。不過，預計電動汽車的受歡迎程度將繼續(xù)增長，最終將主導汽車行業(yè)。為了達到這一目標，電動汽車將需要將續(xù)航里程擴大到至少450英里(724公里)，同時讓消費者買得起。

 

       現(xiàn)在我們來介紹一下固態(tài)電池。

 

       電動汽車的行駛里程將是目前的兩倍或三倍。企業(yè)可以選擇制造更小、更輕、充電更快的電池，或者保持電池的尺寸不變，但續(xù)航里程要大得多。充電時間也減少到15分鐘。如果我們看看三星在固態(tài)電池方面的進步，就會發(fā)現(xiàn)他們能夠開發(fā)出一種充電和放電次數(shù)超過1000次，每次充電可行駛500英里(805公里)的電池。這種電池有50萬英里的電池壽命，同時還能在更極端的溫度下高效工作。

 

       固態(tài)電池的優(yōu)秀表現(xiàn)可能意味著汽油動力汽車的終結。對于筆記本電腦和智能手機來說，固態(tài)電池意味著設備一次充電可以使用好幾天，電池的整體壽命從2年增加到10年以上。醫(yī)療設備可以變得更加便攜和緊湊，而更大的溫度范圍意味著固態(tài)電池可以在未來的空間技術中應用。

 

       很多大公司也瞄準了固態(tài)電池的應用。大眾、福特、寶馬、現(xiàn)代、豐田和比爾·蓋茨都在固態(tài)技術研究上投入了數(shù)十億美元。比爾•蓋茨投資的量子景觀公司(QuantumScape)制造了具有陶瓷層的固態(tài)電池，這種電池可以抵抗枝晶生長，并能在較低溫度下運行。豐田計劃到2025年限量推出固態(tài)電池汽車。然而，最令人興奮的突破來自一個你可能從未聽說過的人。

CeraCharge制造的固態(tài)電池只有一粒米那么大。

 

       由物理學家John Goodenough領導的研究小組已經提交了一項玻璃和陶瓷固態(tài)電池的專利，這種電池穩(wěn)定，不易燃，充電更快，較普通鋰離子電池相比有3倍的能量存儲。同樣重要的是，這種電池價格合理，估計可以實現(xiàn)持續(xù)超過2000次充放電循環(huán)。這種玻璃電池（glass battery）的工作溫度范圍為-4ºF-140ºF(-20ºC-60ºC)。

 

       John Goodenough本人不是一個普普通通的科學家，他獲得了8個科學獎項，包括諾貝爾化學獎。他過去改變世界的創(chuàng)新包括原始的鋰離子電池和讓你的電腦運行所需的RAM。他的參與——以及許多主要競爭公司的參與——使固態(tài)電池成為我們觸手可及的目標。我們可能會在3到4年內開始看到這項技術的有限發(fā)布，盡管還很難說它何時會更廣泛地向公眾發(fā)布。

 

       固態(tài)電池代表的不僅僅是方便，它還代表著拯救世界的一個關鍵因素。性能更強的電動汽車可以為汽車市場帶來巨大轉變，使人們不再使用排放更大的汽油汽車。固態(tài)電池也可以用對地球友好的材料來生產，比如在我們豐富的海水中發(fā)現(xiàn)的鈉。但也許最重要的是，固態(tài)電池的到來將代表我們最聰明的頭腦的能力：使一項我們已經知道了幾個世紀、夢想了幾十年的技術成為現(xiàn)實的能力。它不一定永遠都是未來的技術，也可以是今天的技術。