MIT探讨如何为电动汽车设计更好的电池

据国外媒体报道，随着减少碳排放的需求日益迫切，人们迅速转向电气化交通，并扩大太阳能和风能在电网上的部署。如果这些趋势继续升级，对更好的电能存储方法的需求将会增加。

(来源:麻省理工学院)

麻省理工学院(MIT)材料科学与工程副教授Elsa Olivetti表示:“大规模开发基于网格的存储技术非常重要。然而，对于移动应用，特别是在交通领域，许多研究都集中在改进当前的锂离子电池，使其更安全，更小，单位体积和重量储存更多能量。”

尽管传统的锂离子电池不断得到改进，但仍然存在一些局限性，部分原因在于其结构。锂离子电池包含正极、负极和电解液。这种设计的一个问题是，在一定的电压和温度下，电解液容易挥发，引起火灾。另一个问题是锂离子电池不适用于车辆。又大又重的电池组会占据空间，增加整车重量，降低燃油效率。事实证明，在保持能量密度(即每克重量储存的能量)的情况下，很难将现有的锂离子电池做得更小更轻。

为了解决这些问题，研究人员试图制造全固态电池，用薄固体电解质代替电解质。这种电解质可以在很宽的电压和温度范围内保持稳定。同时采用高容量阳极和比常用的多孔碳层薄得多的锂金属阴极。这使得电池能够保持其能量存储容量，同时减小其尺寸，从而实现更高的能量密度。

研究员黄立斌博士说:“提高安全性和能量密度被视为固态电池的两个潜在优势。但是，这只是一个期望，不一定能实现。”尽管如此，研究人员仍在努力寻找能够实现这些愿景的材料和设计。

思考实验室之外的问题

研究人员在实验室提出了许多潜在的选择。然而，考虑到气候变化的紧迫挑战，有必要考虑更多的实际因素。奥利韦蒂说:“在实验室中，我们的研究人员总是使用一些指标来评估可能的材料和工艺。”例如储能容量和充放电速率。在进行必要和重要的基础研究时，这些指标是适当的。“但如果我们想实现目标，我们建议增加一些快速扩张潜力的指标。”

基于目前行业内锂离子电池的经验，来自麻省理工学院(MIT)的研究人员和来自加州大学伯克利分校的Gerbrand Ceder教授提出了三个大规模问题，以帮助确定所选材料对未来规模扩张的潜在限制。

首先，对于这种电池设计，随着生产规模的扩大，材料可用性、供应链或者价格波动会成为问题吗？(请注意，开采规模扩大带来的环境等问题不在本研究范围内。)

第二，用这些材料制造电池是否会涉及到一些困难的制造步骤，在这些步骤中元件可能会失效？

第三，基于这些材料生产高性能产品所采取的制造措施，最终会降低还是提高电池的生产成本？

为了证明他们的方法，Olivetti，Ceder和Huang目前正在探索一些电解质的化学成分和电池的结构。他们转向以前的研究结果来选择样本。研究人员使用文本和数据挖掘技术来收集文献中报道的材料，以及详细的加工信息。从这个数据库中，研究人员选择了几个常见的选项。

材料和可用性

在固体无机电解质的世界里，主要有两种材料。一种是氧化物，含氧；另一种是硫化物，含硫。在每个类别中，研究人员都专注于一个有前途的电解质选项，并检测出关键元素。

研究人员考虑的硫化物是LGPS，它含有锂、锗、磷和硫。同时，考虑到可获得性，重点是锗，锗通常不单独开采，而是煤和锌开采过程中产生的副产品。

为了调查其可用性，研究人员重点研究了过去60年煤和锌开采期间锗的年产量及其实际最大产量。结果表明，即使在最近几年，锗的产量也可能超过现有产量的100倍。考虑到这种供应潜力，以LGPS电解质为基础的固态电池的扩大生产不太可能受到锗供应的限制。

对于研究人员选择的氧化物LLZO(包含锂、镧、锆和氧)，情况看起来不太乐观。有关镧的提取和加工的数据有限，因此研究人员尚未充分分析其可用性。其他三种元素储量丰富。然而，在实践中，必须添加少量的另一种元素(称为掺杂剂)以使LLZO易于处理。因此，研究小组将最常用的掺杂剂钽作为LLZO中的主要考虑元素。

钽是锡和铌开采的副产品。历史数据表明，与锗相比，锡、铌开采过程中的钽产量更接近其潜在最大产量。因此，为了扩大LLZO电池的规模，钽的可用性需要更多的考虑。

知道地球上某种元素的储量并不意味着解决采矿等问题。研究人员讨论关键要素供应链的后续问题，如开采、加工、提炼和运输。假设可以大量供应，那么相应的供应链是否可以迅速扩大，以满足日益增长的电池需求？

在样本分析中，研究人员关注锗和钽供应链需要达到多大的年增长率，才能为2030年预期的电动汽车车队提供电池。例如，有一种观点认为，对于2030年的电动汽车车队来说，需要生产足够的电池来提供总共100 GWh的能源。仅依靠LGPS电池就能实现这一目标，锗的供应链需要每年增长50%。相比较而言，因为过去最大增速在7%左右。仅使用LLZO电池，钽供应链需要增长30%左右，远高于10%左右的历史高位。

这些例子说明了在评估不同固体电解质的扩展潜力时，考虑材料可用性和供应链的重要性。“即使像锗一样，无法获得材料的可用数量，为了适应未来电动汽车的生产，可能需要以前所未有的速度扩大供应链中的其他步骤。”

材料和加工

在评估电池设计的扩展潜力时，另一个需要考虑的因素是制造工艺的难度及其对成本的影响。制造固态电池需要很多步骤，任何一步出错都会增加电池的生产成本。就像黄说的，“你不会去运输那些坏了的电池，你会把它们扔掉。但是，你付出了材料、时间、加工、金钱。”

研究人员在数据库中搜索故障率对所选固态电池设计总成本的影响。在一个例子中，他们集中在氧化物LLZO上。LLZO非常脆，在制造过程中经过高温后，对于高性能固态电池来说足够薄的大薄片很可能会开裂或翘曲。

为了确定这些故障因素对成本的影响，研究人员模拟了组装LLZO电池的四个关键过程步骤。在每一步中，成本都是根据假定的成品率计算的，即已成功加工而无故障的零件占总零件的比例。使用LLZO时的产量远低于其他研究设计。随着产量的减少，每千瓦时电池能量的成本大幅增加。例如，在最终的阳极加热步骤中，如果多5%的组件失效，成本将增加约30美元/千瓦时，考虑到这种电池的普遍接受的目标成本为100美元/千瓦时，这不是一个小数目。显然，制造的难度可能会对大规模……的可行性产生深远的影响设计的采用。

材料和属性

设计全固态电池的挑战之一来自于界面膜。这些界面材料在操作或制造过程中变得不稳定。“原子去了不该去的地方，电池性能开始下降。”因此，大多数研究致力于在不同的电池设计中稳定界面的方法。很多方法确实有助于提高性能。然而，采用这些方案通常消耗材料和时间，这增加了电池在大规模生产中的成本。

为此，研究人员首先研究了氧化物LLZO，旨在通过插入薄锡层来稳定LLZO电解质和负极之间的界面。同时，分析了实施该解决方案对成本的积极和消极影响。研究人员发现，添加锡夹层可以提高储能容量和性能，从而降低单位成本。但是增加tin层的成本超过了节约的成本，使得最终成本高于原来的成本。

在另一项分析中，研究人员研究了一种名为LPSCI的硫化物电解质，其中含有锂、磷和硫，以及少量添加的氯。在这个例子中，正电极包含电解质材料的颗粒。这样，可以确保锂离子找到通过电解质进入其他电极的方法。然而，这些添加的电解质颗粒与正极中的其他颗粒不相容，导致另一个界面问题。在这种情况下，标准解决方案是添加粘合剂，通过另一种材料将颗粒粘合在一起。

分析表明，在没有粘合剂的情况下，LPSCI基电池的性能很差，其成本高于500美元/千瓦时。加入粘结剂后，可以明显提高电池的性能，成本几乎降低到300美元/千瓦时。在这个例子中，电池制造过程中添加粘合剂的成本很低，不影响整体成本的降低。

研究人员对文献中提到的其他有前景的固态电池进行了类似的研究，结果是一致的:所选择的电池材料和工艺不仅会影响实验室最近的结果，还会影响制造固态电池以满足未来需求的可行性和成本。研究结果还表明，综合考虑可用性、加工要求和电池性能具有重要意义，因为这可能涉及集体效应和权衡。

通过团队的方法，可以讨论一系列问题。然而，研究人员强调，这并不是要取代用于指导实验室材料和工艺选择的传统指标。“相反，这是通过广泛观察可能阻碍扩展过程的各种因素来扩展这些指标。”据国外媒体报道，随着减少碳排放的需求日益迫切，人们迅速转向电气化交通，并扩大太阳能和风能在电网上的部署。如果这些趋势继续升级，对更好的电能存储方法的需求将会增加。

(来源:麻省理工学院)

麻省理工学院(MIT)材料科学与工程副教授Elsa Olivetti表示:“大规模开发基于网格的存储技术非常重要。然而，对于移动应用，特别是在交通领域，许多研究都集中在改进当前的锂离子电池，使其更安全，更小，单位体积和重量储存更多能量。”

尽管传统的锂离子电池不断得到改进，但仍然存在一些局限性，部分原因在于其结构。锂离子电池包含正极、负极和电解液。这种设计的一个问题是，在一定的电压和温度下，电解液容易挥发，引起火灾。另一个问题是锂离子电池不适用于车辆。又大又重的电池组会占据空间，增加整车重量，降低燃油效率。事实证明，在保持能量密度(即每克重量储存的能量)的情况下，很难将现有的锂离子电池做得更小更轻。

为了解决这些问题，研究人员试图制造全固态电池，用薄固体电解质代替电解质。这种电解液能在很宽的电压范围内保持稳定温度。同时采用高容量阳极和比常用的多孔碳层薄得多的锂金属阴极。这使得电池能够保持其能量存储容量，同时减小其尺寸，从而实现更高的能量密度。

研究员黄立斌博士说:“提高安全性和能量密度被视为固态电池的两个潜在优势。但是，这只是一个期望，不一定能实现。”尽管如此，研究人员仍在努力寻找能够实现这些愿景的材料和设计。

思考实验室之外的问题

研究人员在实验室提出了许多潜在的选择。然而，考虑到气候变化的紧迫挑战，有必要考虑更多的实际因素。奥利韦蒂说:“在实验室中，我们的研究人员总是使用一些指标来评估可能的材料和工艺。”例如储能容量和充放电速率。在进行必要和重要的基础研究时，这些指标是适当的。“但如果我们想实现目标，我们建议增加一些快速扩张潜力的指标。”

基于目前行业内锂离子电池的经验，来自麻省理工学院(MIT)的研究人员和来自加州大学伯克利分校的Gerbrand Ceder教授提出了三个大规模问题，以帮助确定所选材料对未来规模扩张的潜在限制。

首先，对于这种电池设计，随着生产规模的扩大，材料可用性、供应链或者价格波动会成为问题吗？(请注意，开采规模扩大带来的环境等问题不在本研究范围内。)

第二，用这些材料制造电池是否会涉及到一些困难的制造步骤，在这些步骤中元件可能会失效？

第三，基于这些材料生产高性能产品所采取的制造措施，最终会降低还是提高电池的生产成本？

为了证明他们的方法，Olivetti，Ceder和Huang目前正在探索一些电解质的化学成分和电池的结构。他们转向以前的研究结果来选择样本。研究人员使用文本和数据挖掘技术来收集文献中报道的材料，以及详细的加工信息。从这个数据库中，研究人员选择了几个常见的选项。

材料和可用性

在固体无机电解质的世界里，主要有两种材料。一种是氧化物，含氧；另一种是硫化物，含硫。在每个类别中，研究人员都专注于一个有前途的电解质选项，并检测出关键元素。

研究人员考虑的硫化物是LGPS，它含有锂、锗、磷和硫。同时，考虑到可获得性，重点是锗，锗通常不单独开采，而是煤和锌开采过程中产生的副产品。

为了调查其可用性，研究人员重点研究了过去60年煤和锌开采期间锗的年产量及其实际最大产量。结果表明，即使在最近几年，锗的产量也可能超过现有产量的100倍。考虑到这种供应潜力，以LGPS电解质为基础的固态电池的扩大生产不太可能受到锗供应的限制。

对于研究人员选择的氧化物LLZO(包含锂、镧、锆和氧)，情况看起来不太乐观。有关镧的提取和加工的数据有限，因此研究人员尚未充分分析其可用性。其他三种元素储量丰富。然而，在实践中，必须添加少量的另一种元素(称为掺杂剂)以使LLZO易于处理。因此，研究小组将最常用的掺杂剂钽作为LLZO中的主要考虑元素。

钽是锡和铌开采的副产品。历史数据表明，与锗相比，锡、铌开采过程中的钽产量更接近其潜在最大产量。因此，为了扩大LLZO电池的规模，钽的可用性需要更多的考虑。

知道地球上某种元素的储量并不意味着解决采矿等问题。研究人员讨论关键要素供应链的后续问题，如开采、加工、提炼和运输。假设可以大量供应，那么相应的供应链是否可以迅速扩大，以满足日益增长的电池需求？

在样本分析中，研究人员关注锗和钽供应链需要达到多大的年增长率，才能为2030年预期的电动汽车车队提供电池。例如，有一种观点认为，对于2030年的电动汽车车队来说，需要生产足够的电池来提供总共100 GWh的能源。仅依靠LGPS电池就能实现这一目标，锗的供应链需要每年增长50%。相比较而言，因为过去最大增速在7%左右。仅使用LLZO电池，钽供应链需要增长30%左右，远高于10%左右的历史高位。

这些例子说明了在评估不同固体电解质的扩展潜力时，考虑材料可用性和供应链的重要性。“即使像锗一样，无法获得材料的可用数量，为了适应未来电动汽车的生产，可能需要以前所未有的速度扩大供应链中的其他步骤。”

材料和加工

在评估电池设计的扩展潜力时，另一个需要考虑的因素是制造工艺的难度及其对成本的影响。制造固态电池需要很多步骤，任何一步出错都会增加电池的生产成本。就像黄说的，“你不会去运输那些坏了的电池，你会把它们扔掉。但是，你付出了材料、时间、加工、金钱。”

研究人员在数据库中搜索故障率对所选固态电池设计总成本的影响。在一个例子中，他们集中在氧化物LLZO上。LLZO非常脆，在制造过程中经过高温后，对于高性能固态电池来说足够薄的大薄片很可能会开裂或翘曲。

为了确定这些故障因素对成本的影响，研究人员模拟了组装LLZO电池的四个关键过程步骤。在每一步中，成本都是根据假定的成品率计算的，即已成功加工而无故障的零件占总零件的比例。使用LLZO时的产量远低于其他研究设计。随着产量的减少，每千瓦时电池能量的成本大幅增加。例如，在最终的阳极加热步骤中，如果多5%的组件失效，成本将增加约30美元/千瓦时，考虑到这种电池的普遍接受的目标成本为100美元/千瓦时，这不是一个小数目。显然，制造的难度可能会对大规模……的可行性产生深远的影响设计的采用。

材料和属性

设计全固态电池的挑战之一来自于界面膜。这些界面材料在操作或制造过程中变得不稳定。“原子去了不该去的地方，电池性能开始下降。”因此，大多数研究致力于在不同的电池设计中稳定界面的方法。很多方法确实有助于提高性能。然而，采用这些方案通常消耗材料和时间，这增加了电池在大规模生产中的成本。

为此，研究人员首先研究了氧化物LLZO，旨在通过插入薄锡层来稳定LLZO电解质和负极之间的界面。同时，分析了实施该解决方案对成本的积极和消极影响。研究人员发现，添加锡夹层可以提高储能容量和性能，从而降低单位成本。但是增加tin层的成本超过了节约的成本，使得最终成本高于原来的成本。

在另一项分析中，研究人员研究了一种名为LPSCI的硫化物电解质，其中含有锂、磷和硫，以及少量添加的氯。在这个例子中，正电极包含电解质材料的颗粒。这样，可以确保锂离子找到通过电解质进入其他电极的方法。然而，这些添加的电解质颗粒与正极中的其他颗粒不相容，导致另一个界面问题。在这种情况下，标准解决方案是添加粘合剂，通过另一种材料将颗粒粘合在一起。

分析表明，在没有粘合剂的情况下，LPSCI基电池的性能很差，其成本高于500美元/千瓦时。加入粘结剂后，可以明显提高电池的性能，成本几乎降低到300美元/千瓦时。在这个例子中，电池制造过程中添加粘合剂的成本很低，不影响整体成本的降低。

研究人员对文献中提到的其他有前景的固态电池进行了类似的研究，结果是一致的:所选择的电池材料和工艺不仅会影响实验室最近的结果，还会影响制造固态电池以满足未来需求的可行性和成本。研究结果还表明，综合考虑可用性、加工要求和电池性能具有重要意义，因为这可能涉及集体效应和权衡。

通过团队的方法，可以讨论一系列问题。然而，研究人员强调，这并不是要取代用于指导实验室材料和工艺选择的传统指标。“相反，这是通过广泛观察可能阻碍扩展过程的各种因素来扩展这些指标。”

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