广泛的电气化要求我们重新思考电池技术

MOSHIEL BITON博士是ADDIONICS的首席执行官和联合创始人，这是一个用于下一代储能的AI优化​​的智能3D电极的电池技术公司。

报告预测世界温度在未来五年内升高的几率超过1.5摄氏度的限制，这很明显，在创造下一代时，很少有时间浪费时间电池可以轻松再用10年才能完全商业化。

为了满足电气化的越来越大，建筑电池的完全新颖的方法是速率迅速缩放可充电电池的唯一方法，以便在全球范围内抑制温室气体排放，避免气候危机的最坏情况场景。

在过去的几十年中，电池专家，汽车制造商，第一层供应商，投资者和希望电气的其他人在全球范围内花费了数十亿美元，通过主要关注电池化学来创建下一代电池。然而，该行业仍在努力解决两种主要的基本技术挑战，这令人振奋的电池的激增：

能源/功率折衷：今天制造的所有电池面临能量到电源的能量折衷。电池可以存储更多能量或它们可以更快地充电/放电。在电动车辆方面，这意味着没有单电池可以提供长距离和快速充电。

阳极阴极不匹配：今天最有希望的电池技术最大化阳极的能量密度，构成每个锂离子电池单元的一对电极的负极。然而，阳极已经具有比其正对应物更大的能量密度，阴极。阴极能量密度最终需要匹配阳极的阳极，以使最多的电池尺寸的能量存储容量。如果不断增加阴极能量密度，那么今天的许多最令人兴奋的电池技术将无法提供全部潜力。当目前代表时，最常用的锂离子电池不能满足全电未来广泛应用的需求。许多公司已经试图通过新的电池化学品解决这些需求，以优化高功率到能量密度的比例与不同程度的成功，但很少有近距离实现大规模和商业化所需的性能指标。

由于其实现高能量密度和增强安全性，电池研究人员将固态电池作为电池技术的圣杯冠军。然而，直到最近，该技术在实践中已经缩短了。

固态电池的能量密度明显较高，并且可能更安全，因为它们不使用易燃液体电解质。然而，该技术仍然是新生，并且有很长的路要走实现商业化。固态电池的制造方法必须提高到降低成本，特别是对于旨在在未来几年内实现积极成本降低的攻击性成本降低的汽车行业。

实施固态技术的另一大挑战是可以将总能量密度的限制储存在每单位体积的阴极中。这种困境的显而易见的解决方案是具有较厚阴极的电池。然而，较厚的阴极会降低电池的机械和热稳定性。不稳定导致分层（一种失败模式，其中物质裂缝到层中），裂缝和分离 - 所有这些都导致过早电池发生故障。此外，较厚的阴极限制扩散和降低功率。结果是对阴极的厚度存在实际限制，这限制了阳极的功率。

在大多数情况下，开发硅基电池的公司在最多30％的硅和石墨中混合，以提高能量密度。由Sila纳米技术制成的电池是使用硅混合物增加能量密度的说明性示例。另一种方法是使用100％纯硅阳极，其受到非常薄的电极和高生产成本的限制，以产生甚至更高的能量密度，如Amprius的方法。

虽然硅提供了相当大的能量密度，但有一个显着的缺点，其直到现在才限制：该材料在充电和放电的同时经历体积膨胀和收缩，限制电池寿命和性能。这导致造成制造商在商业采用之前解决的劣化问题。尽管存在这些挑战，但一些基于硅基电池已经在商业上部署，包括在汽车领域，特斯拉在硅采用中导致EVS。

电池架构和细胞设计的进步表明，利用现有和新兴电池化学物质的改进表现出显着的承诺。

可能是主流角度来看最值得注意的是Tesla的“饼干锡”电池单元，该公司在其2020年推出的电池日亮相。它仍在使用锂离子化学，但该公司在电池中取出了卡在阳极和阴极之间的正和负连接点以及电池壳之间的突片，而是在电池内使用凸起的设计。这种设计变化有助于降低制造成本，同时提高驾驶范围，并消除电池在用直流电力充电时遇到的许多热屏障。

远离传统的2D电极结构转移到3D结构是一种在行业中获得牵引的另一种方法。对于每种电池化学，3D结构在阳极和阴极中产生高能量和高功率性能。

虽然仍然在R＆amp; D和测试阶段，但3D电极实现了两倍的可接近容量，充电时间减少50％，高性能产品的寿命增长50％，以市场竞争价格较长。因此，为了推进电池功能来解锁一系列应用的能量存储的全部潜力，开发强调电池物理结构的解决方案至关重要。

这不仅仅是赢得电池竞赛的性能改进，而且完善生产和成本降低。为了捕捉到2027年预计达到2797亿美元的膨胀电池市场的相当大的份额，全球各国必须找到在规模上实现低成本电池制造的方法。优先顺序“进入”解决方案和可包含现有装配线和材料的创新生产方法将是关键。

拜登政府的美国就业计划突出了国内电池生产对全国成为电气化领域的目标的重要性，同时满足雄心勃勃的碳还原目标。这样的承诺将在建立谁可以在电池空间中保持关键竞争优势并获得1620亿美元的全球EV市场的主要份额作用。

最终，争夺总电气化的获胜技术将是对性能影响，降低成本和与现有制造基础设施的兼容性的胜利技术。通过采取整体方法，致力于创新的细胞设计，同时也是微调领先的化学品，我们可以实现世界拼命需求的电池性能和快速商业化的下一步。