固體能源系統(tǒng)公司今年將在無人機上應用更安全的鋰電池，并將于2021年之后將其用于汽車。

  鋰離子電池號稱容量大，循環(huán)壽命長，但有發(fā)生爆炸的危險，有可能導致傷亡，產(chǎn)品可能會被召回，乘客也可能會被禁止攜帶鋰電池搭乘飛機。

  研究人員宣稱固態(tài)鋰電池是一種更安全的電池。固態(tài)電池技術將用塑料或陶瓷等惰性固體代替易燃液體電解質(zhì)。研究人員幾十年來一直在追求固態(tài)電池技術，卻沒有推出任何產(chǎn)品。

  現(xiàn)在，位于美國馬薩諸塞州的固體能源系統(tǒng)公司（SolidEnergy Systems）計劃成為第一家銷售此類電池的公司。這家初創(chuàng)公司表示，新電池的電能存儲容量是相同重量的傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。

  這意味著設備的續(xù)航時間是原來的兩倍。例如，現(xiàn)在“先進無人機上裝載有傳感器、攝像頭和處理器，電池只能續(xù)航20分鐘，而且很重。”創(chuàng)始人胡啟超（Qichao Hu，音）說。使用固體能源系統(tǒng)公司的新型電池，這些無人機可以飛行40分鐘或更長時間。

  該公司目前正在測試用于無人機的電池，預計將在今年年末開始銷售，隨后將在2019年推出用于可穿戴設備的電池，在2021年后推出用于電動車輛的電池。

  當今的電池使用鋰鹽的稀溶液作為電解質(zhì)，其作用是在碳陽極和鋰過渡金屬氧化物陰極之間來回傳輸離子。一些陶瓷、聚合物和玻璃材料也能很好地發(fā)揮這個作用。除了比液體電解質(zhì)更安全之外，這些替代品還可以支持純鋰陽極，這將提高能量密度。

  20世紀80年代，鋰離子電池的先驅(qū)們最初是選擇金屬鋰作為陽極。但是鋰金屬陽極很快就會長出一種叫做枝晶的苔蘚狀晶須，它可以到達陰極并縮短電池壽命，因此電池研究人員改用碳作為陽極。

  固體能源系統(tǒng)公司的變通方案是將純鋰箔制成超薄陽極，再涂上一層混合聚合物陶瓷電解質(zhì)（這種電解質(zhì)可以抑制樹突生長），并將另一種電解質(zhì)——鋰鹽糊狀物涂在陰極上。

  陰極上的電解質(zhì)含有足夠的溶劑以使鋰鹽在室溫下傳導離子。胡啟超說，從技術上講，這款設備是一種半固態(tài)電池，但比傳統(tǒng)的鋰離子電池更安全。電池的能量密度約為500瓦時/千克，是傳統(tǒng)鋰離子電池（250瓦時/千克）的兩倍。缺點是它只能重復充電約200次，而傳統(tǒng)電池的重復充電次數(shù)是1000次以上。

  “很多人試圖找到百分百完美的固態(tài)方案，”胡啟超說，“但我們認為我們的半固體方案已經(jīng)夠好了。”

  但其他一些實驗室仍然專注于終極固態(tài)電池的愿景。去年，得克薩斯大學奧斯汀分校的約翰•古迪納夫（John Goodenough）發(fā)布了一款固體玻璃電池。他和他的同事瑪麗亞•海倫娜•布拉加（Maria Helena Braga）使用了一種摻鋰玻璃材料作為電解質(zhì)。他們在4月份發(fā)表于《美國化學學會期刊》的最新設計中提到，他們將一種特殊的軟化劑溶液涂在柔性陰極上。

  固態(tài)電池的一個問題是，由于各種材料的膨脹和收縮速率不同，電池的接口處會破裂。布拉加說，軟化劑起到了防止開裂的作用。新型電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍，可以重復充電2.3萬次。

  最近，行業(yè)巨頭也開始投資固態(tài)電池。本田、日產(chǎn)和豐田已經(jīng)與松下公司合作，為電動車輛研發(fā)固態(tài)電池。但一些高調(diào)進行收購的固態(tài)技術初創(chuàng)公司已經(jīng)黯然失色。2015年，戴森公司收購了密歇根大學的衍生公司Sakti3，計劃開發(fā)一款電動車輛用蓄電池。德國巨頭博世公司則收購了來自勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的固態(tài)聚合物電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo。這兩家公司后來都放棄了這些技術。

  LBNL的科學家兼化學工程師尼塔什•巴爾薩拉（Nitash Balsara）于2007年和其他LBNL同僚共同創(chuàng)辦了Seeo，他說制造鋰金屬電池不容易。“總體來說，只要它是免費的，電池行業(yè)會非常關注安全性。”他說，“我認為（這是）一個錯誤。開發(fā)和使用真正安全的鋰電池，還有一段路要走。”

  巴爾薩拉現(xiàn)在擁有一家新的創(chuàng)業(yè)公司——藍色電流（Blue Current），它正在完善一種聚合物-陶瓷混合電解質(zhì)。聚合物沒有陶瓷導電性好，但陶瓷很易碎。這款混合電解質(zhì)“融合了兩者的優(yōu)點，將更多的能量注入電池中，而且當汽車受到撞擊時，它也不會破裂。”巴爾薩拉說。

  紐約賓厄姆頓大學的化學教授，鋰離子研究先驅(qū)M•斯坦利•惠廷漢姆（M. Stanley Whittingham）說，固態(tài)電池最終會有效，但現(xiàn)在仍然面臨著工程挑戰(zhàn)。他說：“近期，鋰離子電池還是不可替代的。”并預測未來5到10年內(nèi)，固體和半固體電池將小規(guī)模投入市場。他表示：“最終還是要看它們的成本是多少。”

  固體能源系統(tǒng)公司的電池的售價合每千瓦時500美元，比傳統(tǒng)的鋰離子電池貴得多，目前鋰離子電池的售價僅約為200美元。但胡啟超預計，隨著制造業(yè)的規(guī)模擴大，其成本將會下降，并且他正與主要的電池制造商進行談判。

  “我們還沒有準備好進軍電動車輛，那是我們的最終目標。”胡啟超承認，“但我們已經(jīng)可以滿足無人機的關鍵性能需求，并在電動車輛蓄電池方面不斷取得重大進展。”