汽车动态新闻:MIT探讨如何为电动汽车设计更好的电池(2)

钽是开采锡和铌的副产品。历史数据显示，与锗的情况相比，在锡和铌开采过程中的钽产量，更加接近其潜在最高产量。因此，对于扩大LLZO电池规模来说，钽的可获得性更需要考虑。

了解一种元素的地球储量，并不代表解决了开采等问题。研究人员探讨关键元素供应链的后续问题，如开采、加工、提炼和运输等。假设可以大量供应，相应的供应链是否也可以迅速扩大，以满足不断增长的电池需求。

在样品分析中，研究人员关注，锗和钽供应链需要达到多大的年增长率，才能为预期中的2030年电动汽车车队提供电池。例如，有观点认为，对2030年的电动汽车车队来说，需要生产足够的电池，提供总共100千兆瓦时的能量。仅依靠LGPS电池来实现这一目标，锗的供应链需要年增长50%。相比来说，因为过去的最大增长率约为 7%。仅使用LLZO电池，钽的供应链需要增长约30%，远高于约为10%的历史高位。

这些例子说明，在评估不同固态电解质的扩展潜力时，考虑材料可获得性和供应链的重要性。“即使跟锗一样，无法获得材料的可用数量，为了适应未来的电动汽车生产，可能也需要以前所未有的速度扩展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，另一需要考虑的因素是制造过程的难易程度，及其对成本的影响。制造固态电池需要很多步骤，任何一步出现失误都会导电池生产成本提高。如同Huang所说：“你不会运输那个坏掉的电池，你会把它们扔了。但是，你已经付出了材料、时间、加工过程和金钱。”

研究人员在数据库中寻找故障率对选定固态电池设计总成本的影响。在一个例子中，他们专注于氧化物 LLZO。LLZO非常脆，在制造过程中经过高温，用于高性能固态电池的足够薄的大片材，很可能会出现破裂或翘曲。

为了确定这些故障因素对成本的影响，研究人员对组装LLZO基电池的四个关键工艺步骤进行了建模。在每一步中，都根据假设成品率计算成本，也就是加工成功而没有失败的总部件的比例。使用LLZO时的产量，远远低于其他研究设计。随着产量下降，每千瓦时电池能量的成本显著上升。例如，在最后的正极加热步骤中，多出5%的部件故障，成本就增加了约$30/kWh，考虑到此类电池的普遍接受目标成本为$100/kWh，这是个不小的数值。显然，制造难易度可能对大规模采用设计的可行性产生深远影响。

材料和性能

设计全固态电池的挑战之一来自于界面膜。在运行或制造过程中，这些界面材料变得不稳定。“原子去了不该去的地方，电池性能开始下降。”因此，大多数研究致力于提出在不同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，采用这些方案通常需要耗费材料和时间，在大规模生产时，使电池成本上升。

为此，研究人员首先研究了氧化物LLZO，旨在通过在LLZO电解质和负极之间插入薄锡层，来稳定两者之间的界面。同时，分析实施该解决方案对成本的正负面影响。研究人员发现，添加锡隔层，可以提高储能能力，并提升性能，从而降低单位成本。但加入锡层的成本超过了节约成本，从而使最终成本高于原成本。

在另一项分析中，研究人员着眼于名为LPSCI的硫化物电解质，其中含锂、磷和硫，以及一点添加的氯。在这个例子中，正极中包含电解质材料颗粒，通过这种方式，可以确保锂离子找到通过电解质进入其他电极的途径。然而，这些添加的电解质颗粒无法与正极里的其他粒子兼容，从而产生另外一种界面问题。在这种情况下，标准的解决方案是添加粘合剂，通过另一种材料，使粒子粘合在一起。

分析表明，没有粘合剂的情况下，LPSCI基电池的性能很差，其成本高于$500/kWh。加入粘合剂后，可以明显提升电池性能，成本几乎下降至$300/kWh。在这个例子中，在电池制造过程中增加粘合剂的成本很低，不影响总体成本下降。

研究人员对文献中提到的其他有前景固态电池进行了类似研究，其结果是一致的：所选择的电池材料和工艺，不仅影响实验室的近期结果，还会影响为满足未来需求规模制造固态电池的可行性和成本。研究结果还表明，综合考虑可用性、加工需求和电池性能这三个因素，具有重要意义，因为可能涉及集体效应和权衡问题。

通过该团队的方法，可以探讨一系列问题。但是，研究人员强调，这并不是要取代实验室中用于指导材料和工艺选择的传统指标。“与之相反，这是通过广泛观察各种可能阻碍扩展进程的因素，来扩充这些指标。”