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來自QuantumScape公司的固態電池

 

       編者按：固態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、醫療設備到宇宙飛船。以往，我們覺得固態電池是很遙遠的未來技術，但近來隨著John Goodenough團隊玻璃電池的創新，以及大眾、福特、寶馬、現代、豐田和比爾·蓋茨都在固態技術研究上投入了數十億美元，固態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。

 

       設想一下：有一項正在測試的技術，一旦發布給公眾，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，我們只能在創造的過程中邁出一小步。目前已經有數十億美元投入研究，一旦技術完善并發布，還會有數十億美元投入研究。

 

       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新——特別是固態電池。雖然聚變能量和固態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，固態材料的發展和投資大幅增加。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電池的發布。

 

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

簡化圖，左圖顯示了傳統電池的液體電解質，右圖顯示了固態電池的固體電解質。

 

       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。

 

       我們現在的電池和未來的固態電池有一個重要的區別：電解液。目前的鋰離子電池都是液態電解質。不幸的是，液態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，固態電池有一種固態電解質，可以抑制這些有害樹突的生長。更不用說電解液從液體變為固體時發生的驚人變化了。

 

       固態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增長，最終將主導汽車行業。為了達到這一目標，電動汽車將需要將續航里程擴大到至少450英里(724公里)，同時讓消費者買得起。

 

       現在我們來介紹一下固態電池。

 

       電動汽車的行駛里程將是目前的兩倍或三倍。企業可以選擇制造更小、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電池方面的進步，就會發現他們能夠開發出一種充電和放電次數超過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。

 

       固態電池的優秀表現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電池的應用。大眾、福特、寶馬、現代、豐田和比爾·蓋茨都在固態技術研究上投入了數十億美元。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電池的專利，這種電池穩定，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，估計可以實現持續超過2000次充放電循環。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布，盡管還很難說它何時會更廣泛地向公眾發布。

 

       固態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現的鈉。但也許最重要的是，固態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。