汽车动态新闻:MIT探讨如何为电动汽车设计更好的电池

盖世汽车讯 据外媒报道，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，并扩大在电网上部署太阳能和风能。如果这些趋势持续升级，对更好的电能储存方法的需求将会增强。

（图片来源：MIT）

麻省理工学院(MIT)材料科学与工程学副教授Elsa Olivetti表示：“大规模开发基于网格的存储技术至关重要。然而，对于移动应用，尤其是交通领域，很多研究都集中于改良目前的锂离子电池，使其更安全、更小，在单位体积和重量内存储更多的能量。”

虽然传统锂离子电池不断改进，但仍存在一些局限性，部分原因在于其结构。锂离子电池中包含正负极和电解液。这种设计的问题之一在于，在一定的电压和温度下，电解液易于挥发，并引发火灾。另一问题在于锂离子电池不太适合用于车辆。大而重的电池组会占据空间，同时增加车辆总重，并降低燃料效率。事实证明，在保持能量密度(即每克重量储存的能量)的同时，很难使现有锂离子电池变得更小、更轻。

为了解决这些问题，研究人员尝试制造全固态电池，用薄的固态电解质取代电解液。这种电解质可以在较大的电压和温度范围内保持稳定。同时，采用高容量正极，以及比通常使用的多孔碳层薄得多的锂金属负极。这使电池可以在缩减尺寸的同时保持储能能力，从而实现更高的能量密度。

研究人员Kevin Huang博士表示：“提升安全性和能量密度，被视为固态电池的两个潜在优势。然而，这只是一种预期，不一定会实现。”尽管如此，研究人员还是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

研究人员已在实验室中提出了很多有潜力选项。但是，考虑到紧迫的气候变化挑战，有必要多考虑一些实际因素。Olivetti表示：“在实验室里，我们的研究人员总是用一些指标来评估可能的材料和工艺。”例如储能能力和充放电速率。在进行既必要又重要的基础研究时，这些指标是适当的。“但如果要实现目标，我们建议针对快速扩展潜力，增设一些指标。”

基于目前业界对锂离子电池的经验，麻省理工学院（MIT）的研究人员和加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)的Gerbrand Ceder教授提出了三个大范围问题，帮助确定所选择的材料对于未来扩大规模的潜在制约因素。

首先，对于这种电池设计，随着生产规模的扩大，材料可用性、供应链或价格波动会成为问题吗？(请注意，采矿规模扩大带来的环境和其他问题，不在本研究范围内。)

其次，用这些材料制造电池是否会涉及困难的制造步骤，在这些步骤中部件可能会失效？

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研究目前正在探讨一些电解质的化学成分和电池结构。他们求助于以前的研究成果，以选择样品。研究人员曾使用文本和数据挖掘技术，来收集文献中报告的材料，以及细节处理信息。从该数据库中，研究人员选择了几个常见选项。

材料和可用性

在固态无机电解质的世界里，主要有两种材料。一种是氧化物，其中含有氧；另一种是硫化物，其中含有硫。研究人员在每一类别内都专注于一种有前景的电解质选项，并检测其中的关键元素。

研究人员考虑的硫化物是LGPS，其中含有锂、锗、磷和硫。同时，考虑到可用性，重点关注锗，这种元素通常不单独开采，而是在煤炭和锌开采期间产生的副产品。

为了调查其可用性，研究人员着眼于过去60年间在煤炭和锌开采期间锗的年产量，以及其实际最大可生产量。结果表明，即使在最近几年，锗的产量也有可能超过现有产量的100倍。考虑到这种供应潜力，扩大生产基于LGPS电解质的固态电池，不太可能因锗的可获得性而受限。

对于研究人员所选择的氧化物LLZO（其中含有锂、镧、锆和氧），情况看起来不那么乐观。关于提取和加工镧的数据有限，因此研究人员并没有充分分析其可用性。其他三种元素储量丰富。然而，在实践过程中，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，研究小组将重点放在了最常用的掺杂剂钽上，作为LLZO中的主要考虑元素。