期待已久的固態(tài)電池技術(shù)，最終會(huì)改變世界
時(shí)間:2021-07-08 10:40來(lái)源:神譯局 作者:綜合報(bào)道
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來(lái)自QuantumScape公司的固態(tài)電池
編者按：固態(tài)電池的普遍應(yīng)用會(huì)改變我們生活的方方面面，從手機(jī)、電腦、汽車、醫(yī)療設(shè)備到宇宙飛船。以往，我們覺(jué)得固態(tài)電池是很遙遠(yuǎn)的未來(lái)技術(shù)，但近來(lái)隨著John Goodenough團(tuán)隊(duì)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(shù)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(biāo)。本文譯自Medium，作者Ella Alderson，原文標(biāo)題為This Long-Awaited Technology May Finally Change the World，希望對(duì)您有所啟發(fā)。
設(shè)想一下：有一項(xiàng)正在測(cè)試的技術(shù)，一旦發(fā)布給公眾，將導(dǎo)致一場(chǎng)期待已久的能源革命。這項(xiàng)新技術(shù)有望比我們現(xiàn)在市場(chǎng)上的任何技術(shù)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(dòng)工具、玩具、筆記本電腦、智能手機(jī),以及影響一些我們的生活中不常見的東西，比如醫(yī)療設(shè)備、宇宙飛船、新能源交通工具等。幾個(gè)世紀(jì)前我們已就經(jīng)知道這項(xiàng)技術(shù)了，但到目前為止，我們只能在創(chuàng)造的過(guò)程中邁出一小步。目前已經(jīng)有數(shù)十億美元投入研究，一旦技術(shù)完善并發(fā)布，還會(huì)有數(shù)十億美元投入研究。
這個(gè)描述聽起來(lái)很像核聚變。然而，它實(shí)際上指的是電池技術(shù)領(lǐng)域即將到來(lái)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(rèn)為是未來(lái)的技術(shù)，不是當(dāng)下可以普及的技術(shù)，但近年來(lái)，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(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)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(shù)最終準(zhǔn)備好大規(guī)模生產(chǎn)，我們能期待什么變化呢？
簡(jiǎn)化圖，左圖顯示了傳統(tǒng)電池的液體電解質(zhì)，右圖顯示了固態(tài)電池的固體電解質(zhì)。
電池只不過(guò)是儲(chǔ)存化學(xué)能并將其轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它們有四個(gè)主要部分：負(fù)極、正極、電解質(zhì)和隔膜。負(fù)極和正極是電極。當(dāng)電子從一個(gè)電極傳遞到另一個(gè)電極時(shí)，電流就產(chǎn)生了。在這種情況下，電子從帶負(fù)電的正極傳遞到帶正電的負(fù)極。這兩個(gè)電極的作用就是產(chǎn)生電流。電解質(zhì)溶液允許帶正電荷的離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)。這就平衡了電子的流動(dòng)。最后，隔板使兩個(gè)電極分開，防止電池短路。
我們現(xiàn)在的電池和未來(lái)的固態(tài)電池有一個(gè)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(zhì)。不幸的是，液態(tài)電解質(zhì)中的某些化合物允許晶體結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，即樹突。枝晶會(huì)產(chǎn)生又長(zhǎng)又尖的晶須，會(huì)刺穿分離器，導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)的爆炸。顧名思義，固態(tài)電池有一種固態(tài)電解質(zhì)，可以抑制這些有害樹突的生長(zhǎng)。更不用說(shuō)電解液從液體變?yōu)楣腆w時(shí)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(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)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(nèi)正常運(yùn)行。舉個(gè)例子，讓我們看看這對(duì)汽車意味著什么。
到目前為止，電動(dòng)汽車最大的缺點(diǎn)是行駛里程有限。一輛普通的電動(dòng)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(gè)小時(shí)，具體時(shí)間取決于汽車是在加油站充電還是在家里使用標(biāo)準(zhǔn)插座充電。不過(guò)，預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車的受歡迎程度將繼續(xù)增長(zhǎng)，最終將主導(dǎo)汽車行業(yè)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，電動(dòng)汽車將需要將續(xù)航里程擴(kuò)大到至少450英里(724公里)，同時(shí)讓消費(fèi)者買得起。
現(xiàn)在我們來(lái)介紹一下固態(tài)電池。
電動(dòng)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(shí)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(jìn)步，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們能夠開發(fā)出一種充電和放電次數(shù)超過(guò)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(wàn)英里的電池壽命，同時(shí)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(dòng)力汽車的終結(jié)。對(duì)于筆記本電腦和智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，固態(tài)電池意味著設(shè)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(shè)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(lái)的空間技術(shù)中應(yīng)用。
很多大公司也瞄準(zhǔn)了固態(tài)電池的應(yīng)用。大眾、福特、寶馬、現(xiàn)代、豐田和比爾·蓋茨都在固態(tài)技術(shù)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(zhǎng)，并能在較低溫度下運(yùn)行。豐田計(jì)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(lái)自一個(gè)你可能從未聽說(shuō)過(guò)的人。
CeraCharge制造的固態(tài)電池只有一粒米那么大。
由物理學(xué)家John Goodenough領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)提交了一項(xiàng)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(chǔ)。同樣重要的是，這種電池價(jià)格合理，估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)超過(guò)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(gè)普普通通的科學(xué)家，他獲得了8個(gè)科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他過(guò)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(yùn)行所需的RAM。他的參與——以及許多主要競(jìng)爭(zhēng)公司的參與——使固態(tài)電池成為我們觸手可及的目標(biāo)。我們可能會(huì)在3到4年內(nèi)開始看到這項(xiàng)技術(shù)的有限發(fā)布，盡管還很難說(shuō)它何時(shí)會(huì)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(gè)關(guān)鍵因素。性能更強(qiáng)的電動(dòng)汽車可以為汽車市場(chǎng)帶來(lái)巨大轉(zhuǎn)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(duì)地球友好的材料來(lái)生產(chǎn)，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(lái)將代表我們最聰明的頭腦的能力：使一項(xiàng)我們已經(jīng)知道了幾個(gè)世紀(jì)、夢(mèng)想了幾十年的技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)的能力。它不一定永遠(yuǎn)都是未來(lái)的技術(shù)，也可以是今天的技術(shù)。
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