电子发烧友网报道（文/黄山明）近日，美国国家航空航天局（NASA）从事增强可充电性和安全性的固态结构电池项目（SABERS）的研究人员，在研发一种创新型电池组时取得突破性进展，该电池组比现有的电池产品更轻、更安全、性能也更好。
NASA研发这款电池，是希望将其应用在航空领域中来，比如电动飞机与空中交通等。今年4月份，NASA宣布与日产达成战略合作，携手开发新型全固态电池，取代目前的锂离子电池。
从NASA公开的数据来看，新款研发的电池为固态硫硒电池，相比锂电池而言，体积更小、能量密度更高、重量更轻、承受高温能力更强，以及在受到冲击之后仍可以继续使用等特点。并且由于该款电池主要采用硫元素，该元素在自然界中产量丰富，因此获取价格低廉。市场中，一吨硫精矿的价格在1000元左右，而下品位在28%的初级硫精矿价格仅要50元/吨，而硒元素价格则在10万元/吨左右。相比之下，如今一吨锂矿价格在18万元左右。不仅是成本优势，由于采用了新型材料，该材料尚未用于电池制作中，这些材料在功率放电上也有巨大的提升。过去一年中，SABERS团队成功将电池的放电率提高了50倍，这样一来，该电池为大型车辆提供动力的目标更进一步。并且由于采用固态电池，与普通锂离子电池不同，由于内部没有液体因此在耐热性、安全性上有了巨大提升。相比于液态电解质锂电池，固态电池采用固态的不可燃电解质代替电解液，从根本上解决了电池起火的安全隐患。外包装上，SABERS团队使用了新型的电池包装，将所有电池垂直堆放在同一外壳内，不仅能够减轻电池30%-40%的重量，并且可以增加储存的能量。通过这种设计，该固态电池的能量密度达到了惊人的500Wh/kg。要知道特斯拉的4680电池单体能量密度为300Wh/kg，电池组能量密度为217Wh/kg，即便是宁德时代新发布的第三代CTP麒麟电池，能量密度也才255Wh/kg。意味着目前NASA所研发的固态电池已经远远超过当前最先进的锂离子电池，同时，SABERS团队研究人员在对电池进行压力和温度测试，发现该电池可以在锂离子电池两倍的温度下运行，因此无需额外的冷却技术。近年来，中国也对固态锂电池做出了相应规划，例如在2020年由中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中提到，固态电池研发力度加大，并布局全固态锂离子和锂硫电池等新体系电池开发。值得注意的是，其中提出电池总体目标为高比能电池在2025年达到350Wh/kg，2030年达到400Wh/kg，2035年达到500Wh/kg。以此来看，NASA的固态电池已经提前十年达成了中国业界的目标。NASA研究电池时间并不短，为了解决太空中持久的电力供应问题，NASA需要长期可靠的电力系统来探索太阳系，这也成了其研究电池的推动力。为此NASA研发除了放射性同位素热电发电机（GTR，也可以简称为核电池），而该系统所需的原材料便是钚-238的氧化物。后续又采用了基于方钴矿材料制作的核电池，采用新材料的核电池要比原有的电池电量多上25%。NASA在电池技术上的优势，也吸引了许多车厂的目光。比如日产便与NASA合作，共同开发应用在电动汽车上的固态电池，目标是制造出15分钟能充满电的固态电池。如今NASA的新款固态电池研发的出现，意味着距离其既定目标已经不远。但纵观市场会发现一个问题，在电动汽车中，液态电池仍然占主流，最多不过是半固态电池，固态电池迟迟未得到商用，原因在哪里呢？一方面在于成本，当前制造固态电池生产环境极端严苛，生产过程复杂繁琐，并且最终良品率极低。有多低呢，据业内人士透露，某北京企业的半固态电池生产线良品率低于50%，而纯固态电池的良品率可想而知。要知道在液态电池中，目前特斯拉的4680平均生产良品率为92%，而这已经是相当低的水平。由于低良率导致的高成本，让特斯拉大量采购宁德时代的方形电池，并且占比越来越大，以降低自身的制造成本。对于固态电池的成本，日产方面认为目前在75美元/kWh，到2028年以后，这一成本将降至65美元/kWh，届时搭载固态电池的电动汽车成本将与燃油车成本大致相同。即便不考虑成本问题，并且固态电池极大提升功率密度与使用寿命，但在实际使用过程中，其表现却仍未能令人满意。由于电解质变为了固态，其内部的导电性有所下降，并且固态电池的内阻会消耗大量能量，使固态电池在低温或室温条件下输出的电流和功率偏低，但在高温环境下反而表现较好。上文中提到，NASA方面透露，新型固态电池可以在锂离子电池两倍的温度下运行，但却没有说明在室温下固态电池的表现如何。如果性能下降，那么就与动力电池使用的普遍场景相违背。不过即便如此，NASA所研发的新型固态电池也并非没有意义，因为如今的液态电池发展已经快到极限了。比如特斯拉的圆柱电池，便是将单体圆柱电芯做得更大，从而让电池中使用电芯的个数变少，提升成组效率。包括宁德时代的麒麟电池、比亚迪刀片电池发展路径都是类似。同时提升电池正极中活性材料的占比来增加能量密度，但这样会在一定程度上牺牲电池安全性。而到了今年，宁德时代发布的磷酸锰铁锂电池中，在正极加入了锰材料，比容量达到165mA·h/g，将磷酸铁锂电池性能推到了极限，只存在利润上的优化空间。如果想要进一步提升能量密度，增强续航时间，在新型材料发展缓慢的当下，只能朝着固态电池方向发展。目前产业中已经开始从液态电池，慢慢向半固态电池发展，当然在半固态电池中，想要量产商用，仍然存在诸多问题。但相比纯固态电池，半固态电池已经让产业界人士看到了发展的希望。早在1990年，美国橡树岭国家实验室便研发出了固态电池，可以充放电上万次而不衰竭，并且充满电只需要几分钟，能量密度超过700Wh/kg。但在30年后，NASA反而将能量密度降至500Wh/kg，但却让固态电池离商用化更近了一步。通过使用新材料，降低了制造成本，同时提升了放电率，让新型的固态电池向支持大型车辆供电靠拢。并且在如今液态电池走向极限的当下，材料突破缓慢，固态电池已经成为当前明确的升级道路。现在市场中当然还是以液态电池为主，但在未来，固态电池的发展已势不可挡。
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