[2011.1.27]固态电池：印刷的电力

2011-2-5 14:50| 发布者: jerrywhitt| 查看: 10993| 评论: 3|原作者: mzxmm

摘要: 一项新工艺能制造远优于现有电池的固态可充电电池

固态电池
印刷的电力
一项新工艺能制造远优于现有电池的固态可充电电池

英国《经济学人》杂志 2010年1月27日文章写于美国弗罗里达州奥兰多

高效、可靠的晶体管替代脆弱、易损的真空管成就电子工业的巨大飞跃。这一变迁导致今天无处不在的硅芯片。结果，电子设备变得极为强大的同时缩小了尺寸和降低了成本。一些人相信，倘若可充电电池能同样制作成细小、固体的装备也将会产生类似巨变。研究人员致力于用各种方式达成这一目标，而现在其中之一已取得成果。其承诺可制成更小，更廉价，更强效的电池，能用于家用电子产品甚至是电动汽车上。

该进展是奥尔兰Planar公司的杰作。该公司于2007年从美国国家可再生能源实验室分离出来。其即将完成一条试点生产线，能像打印报纸般在金属或塑料纸上打印锂离子电池。

这种"薄膜"印刷方式已经用于太阳能电池板和显示屏，但仍未有人找到能将其应用于工业规模化生产电池的方法。矛盾的是，薄膜印刷需要液态化学原质作为喷洒在金属或塑料基板上的“墨水”，而且只有当这些化学原液发生反应最终生成固态产物时印刷过程才能运作良好。多数电池含有液态或半液态的电解质——以致印制它们仍被认为是毫无可能的。然而，Planar公司找到一种据信能适用于薄膜印刷的固态电解质。

充电！
电池的电解质能让离子（此处为锂离子）自电池内部从一个电极（负极）传递到另一个（正极）。与这些离子相匹配的电子走的是类似旅途，但是穿过的却是外部电路，通常是一根电线。这意味着它们携带的能量能用于一些有用的目的。推动电子以相反的方向通过导线能使离子返回其原址，从而让电池充电。

很多种类的离子能用在电池上，但近年来锂广受欢迎，这是由于它的轻便。就同等重量而言，基于锂化学物质的可充电电池比起所有其它类型的能存储更多的能量。至于锂离子电池，其电解质通常呈某种凝胶状。使用某种固态电解质制作该类电池是有可能的，但迄今为止这要通过一种被称为“真空沉积”的制作工艺来完成。其用复杂和昂贵的设备在基板上堆积材料原子层。使用这种方式制作的电池往往是小型的和昂贵的，适用于特殊设备比如传感器。对于在家用电器特别是电动汽车上的任何应用，固态电池需要做得更大并且具备被大批量生产的能力。

Planar公司最新推出的是陶瓷电解质，据称其具备与凝胶状电解质同等效用。这种电解质（连同电池的电极一道）能印刷在一张通过卷筒间的金属或塑料纸上，此过程类似于使用传统印刷机。而且不需要真空环境去运作。一旦印刷出来，胶卷能被切割成独立电池单元并连接成电池组。

Planar公司使用锂锰二氧化物作负极，以掺杂锡二氧化物的锂合金作为正极。作为关键的固态电解质其采用称为硫代锂超导（锂超离子导体的简称）的材料。确切而言，硫代锂超导的最佳用途需要进一步调研，但该理论确实是有效的。

关键点是虽然电极和电解质显然是固态的，它们事实上却具有完美的纳米（一纳米即十亿分之一米）构造。其容许锂离子自由穿越。为了得到这种合适材料的精确构造已经付出了鲜血、汗水和眼泪，而Planar公司的科学家认为其已攻克了这一难题。

他们用来印刷电池单元的“墨水”是水性化学原质，其在恰当的（也是惟一的）浓度和环境下被混合以及喷射到基板上，从而发生反应形成合适的纳米薄膜。一旦此工序完成，仅仅是水份被蒸发而所需的电子“三明治”得以保留，整个过程所花费的时间仅为“真空沉积法”的千分之一。

这种印刷电池的方式也使得合成其它薄膜设备成为可能，诸如可直接制成超级电容单元。超级电容器是一种能快速充放电的电能存储设备。电动汽车能用超级电容器从回馈制动中捕捉能量并将其用于快速加速。

Planar公司表示该电池将比传统锂电池更可靠，能以同等重量存储二至三倍的能量并能维持无数次反复充电。它们也令生产成本下降三分之二。

材料收益
这是大胆的预测，但Planar公司的老板斯科特·法瑞斯（Scott Faris）同时指出，大部分利润来自于材料的节省。在典型锂电池的生产原料中，约有一半左右并不直接成为电池的化学反应物。其包括一个粗壮的套筒和一个防止电池内部电解质彼此接触以免引发短路的渗透性聚合物隔膜。薄膜技术不需要如此多的套筒，而Planar公司的固态电解质同时也是一种隔离器。法瑞斯表示，其结果是制作Planar电池的材料中有97%被有效地用于存储电力。

如果该试点生产线得以成功，公司希望最早在约18个月之后开始运营。一开始将会生产用于便携设备的小型电池。接着将扩大至更大型的电池，它希望用约六年的时间为汽车市场生产出有效的电池来。到那时，如果一辆雪佛兰伏特车需要更换电池，此技术可以提供固态替换电池，该电池能增加汽车的全电力驱动里程从约65公里（40英里）至约200公里。里程不足被认为是普及电动汽车的主要障碍之一。如果固态电池能解决这种里程焦虑，那其确实是一场与硅芯片相媲美的革命。

本文由译者 mzxmm 提供 点击此处阅读双语版