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期待已久的固態(tài)電池技術(shù)，最終會改變世界

時間:2021-07-08 10:40來源:神譯局 作者:綜合報道
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來自QuantumScape公司的固態(tài)電池
 
       編者按：固態(tài)電池的普遍應(yīng)用會改變我們生活的方方面面，從手機、電腦、汽車、醫(yī)療設(shè)備到宇宙飛船。以往，我們覺得固態(tài)電池是很遙遠的未來技術(shù)，但近來隨著John Goodenough團隊玻璃電池的創(chuàng)新，以及大眾、福特、寶馬、現(xiàn)代、豐田和比爾·蓋茨都在固態(tài)技術(shù)研究上投入了數(shù)十億美元，固態(tài)電池有可能成為我們觸手可及的目標。本文譯自Medium，作者Ella Alderson，原文標題為This Long-Awaited Technology May Finally Change the World，希望對您有所啟發(fā)。
 
       設(shè)想一下：有一項正在測試的技術(shù)，一旦發(fā)布給公眾，將導致一場期待已久的能源革命。這項新技術(shù)有望比我們現(xiàn)在市場上的任何技術(shù)都更安全、更有效。它將影響我們生活中一些平凡的東西，比如電動工具、玩具、筆記本電腦、智能手機,以及影響一些我們的生活中不常見的東西，比如醫(yī)療設(shè)備、宇宙飛船、新能源交通工具等。幾個世紀前我們已就經(jīng)知道這項技術(shù)了，但到目前為止，我們只能在創(chuàng)造的過程中邁出一小步。目前已經(jīng)有數(shù)十億美元投入研究，一旦技術(shù)完善并發(fā)布，還會有數(shù)十億美元投入研究。
 
       這個描述聽起來很像核聚變。然而，它實際上指的是電池技術(shù)領(lǐng)域即將到來的創(chuàng)新——特別是固態(tài)電池。雖然聚變能量和固態(tài)電池都被認為是未來的技術(shù)，不是當下可以普及的技術(shù)，但近年來，固態(tài)材料的發(fā)展和投資大幅增加。如今，有許多大公司和可靠的研究人員參與其中，我們似乎會在未來幾年內(nèi)看到固態(tài)電池的發(fā)布。
 
       一旦這種難懂、具有革命性的技術(shù)最終準備好大規(guī)模生產(chǎn)，我們能期待什么變化呢？
簡化圖，左圖顯示了傳統(tǒng)電池的液體電解質(zhì)，右圖顯示了固態(tài)電池的固體電解質(zhì)。
 
       電池只不過是儲存化學能并將其轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它們有四個主要部分：負極、正極、電解質(zhì)和隔膜。負極和正極是電極。當電子從一個電極傳遞到另一個電極時，電流就產(chǎn)生了。在這種情況下，電子從帶負電的正極傳遞到帶正電的負極。這兩個電極的作用就是產(chǎn)生電流。電解質(zhì)溶液允許帶正電荷的離子在兩個電極之間流動。這就平衡了電子的流動。最后，隔板使兩個電極分開，防止電池短路。
 
       我們現(xiàn)在的電池和未來的固態(tài)電池有一個重要的區(qū)別：電解液。目前的鋰離子電池都是液態(tài)電解質(zhì)。不幸的是，液態(tài)電解質(zhì)中的某些化合物允許晶體結(jié)構(gòu)的生長，即樹突。枝晶會產(chǎn)生又長又尖的晶須，會刺穿分離器，導致短路，從而導致危險的爆炸。顧名思義，固態(tài)電池有一種固態(tài)電解質(zhì)，可以抑制這些有害樹突的生長。更不用說電解液從液體變?yōu)楣腆w時發(fā)生的驚人變化了。
 
       固態(tài)電池具有較高的能量密度，火災(zāi)和爆炸的風險大大降低，它占用更少的空間，并能夠在更大跨度的溫度范圍內(nèi)正常運行。舉個例子，讓我們看看這對汽車意味著什么。
 
       到目前為止，電動汽車最大的缺點是行駛里程有限。一輛普通的電動汽車充滿電后可行駛250-300英里(402-483公里)。完全充滿電需要1-17個小時，具體時間取決于汽車是在加油站充電還是在家里使用標準插座充電。不過，預(yù)計電動汽車的受歡迎程度將繼續(xù)增長，最終將主導汽車行業(yè)。為了達到這一目標，電動汽車將需要將續(xù)航里程擴大到至少450英里(724公里)，同時讓消費者買得起。
 
       現(xiàn)在我們來介紹一下固態(tài)電池。
 
       電動汽車的行駛里程將是目前的兩倍或三倍。企業(yè)可以選擇制造更小、更輕、充電更快的電池，或者保持電池的尺寸不變，但續(xù)航里程要大得多。充電時間也減少到15分鐘。如果我們看看三星在固態(tài)電池方面的進步，就會發(fā)現(xiàn)他們能夠開發(fā)出一種充電和放電次數(shù)超過1000次，每次充電可行駛500英里(805公里)的電池。這種電池有50萬英里的電池壽命，同時還能在更極端的溫度下高效工作。
 
       固態(tài)電池的優(yōu)秀表現(xiàn)可能意味著汽油動力汽車的終結(jié)。對于筆記本電腦和智能手機來說，固態(tài)電池意味著設(shè)備一次充電可以使用好幾天，電池的整體壽命從2年增加到10年以上。醫(yī)療設(shè)備可以變得更加便攜和緊湊，而更大的溫度范圍意味著固態(tài)電池可以在未來的空間技術(shù)中應(yīng)用。
 
       很多大公司也瞄準了固態(tài)電池的應(yīng)用。大眾、福特、寶馬、現(xiàn)代、豐田和比爾·蓋茨都在固態(tài)技術(shù)研究上投入了數(shù)十億美元。比爾•蓋茨投資的量子景觀公司(QuantumScape)制造了具有陶瓷層的固態(tài)電池，這種電池可以抵抗枝晶生長，并能在較低溫度下運行。豐田計劃到2025年限量推出固態(tài)電池汽車。然而，最令人興奮的突破來自一個你可能從未聽說過的人。
CeraCharge制造的固態(tài)電池只有一粒米那么大。
 
       由物理學家John Goodenough領(lǐng)導的研究小組已經(jīng)提交了一項玻璃和陶瓷固態(tài)電池的專利，這種電池穩(wěn)定，不易燃，充電更快，較普通鋰離子電池相比有3倍的能量存儲。同樣重要的是，這種電池價格合理，估計可以實現(xiàn)持續(xù)超過2000次充放電循環(huán)。這種玻璃電池（glass battery）的工作溫度范圍為-4ºF-140ºF(-20ºC-60ºC)。
 
       John Goodenough本人不是一個普普通通的科學家，他獲得了8個科學獎項，包括諾貝爾化學獎。他過去改變世界的創(chuàng)新包括原始的鋰離子電池和讓你的電腦運行所需的RAM。他的參與——以及許多主要競爭公司的參與——使固態(tài)電池成為我們觸手可及的目標。我們可能會在3到4年內(nèi)開始看到這項技術(shù)的有限發(fā)布，盡管還很難說它何時會更廣泛地向公眾發(fā)布。
 
       固態(tài)電池代表的不僅僅是方便，它還代表著拯救世界的一個關(guān)鍵因素。性能更強的電動汽車可以為汽車市場帶來巨大轉(zhuǎn)變，使人們不再使用排放更大的汽油汽車。固態(tài)電池也可以用對地球友好的材料來生產(chǎn)，比如在我們豐富的海水中發(fā)現(xiàn)的鈉。但也許最重要的是，固態(tài)電池的到來將代表我們最聰明的頭腦的能力：使一項我們已經(jīng)知道了幾個世紀、夢想了幾十年的技術(shù)成為現(xiàn)實的能力。它不一定永遠都是未來的技術(shù)，也可以是今天的技術(shù)。
 
(責任編輯：子蕊)
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