美國Sakti3電池公司研發新型固態鋰離子電池

賈旭平

Sakti3公司成立于2008年，由密西根大學前工程教授Ann Marie Sastry成立。Sakti指梵語的“電力”，3指鋰的原子數。Sakti3公司研發的固態鋰離子電池的能量密度約為當前鋰離子電池的兩倍。這種固態電池采用薄膜沉積技術來生產，而薄膜沉積技術是用于生產平板顯示器和光伏太陽電池的技術。固態電池內部沒有液體電解質，取而代之的是一種“夾層”裝置，這種“夾層”既能充當隔膜，阻止正負電極的接觸反應；又能充當電解質，保證離子間的正常傳輸。

對于汽車制造商而言，Sakti3公司研制的電池無疑是一個令人振奮的消息。根據汽車研究公司Edmunds的統計資料顯示，電動汽車、混合動力車和插入式混合動力車2014年在新車中的銷售份額僅達到3.6%，而這一數字在2013年是3.7%。換句話說，電動汽車的銷售在其他銷售火熱的汽車市場中已稍顯停滯。對于電動汽車而言，目前最大的問題就是行駛里程，誰也不愿意面對開到中途汽車沒電的狀況。這也是為什么Telsa創建者和CEO Elon Musk為什么在2014年9月初宣布要建立投資額為50億美元的電池工廠，如果電池廠投產成功后，每年可為500 000輛電動汽車提供電池(Tesla計劃每年銷售35 000輛電動汽車)。Musk投資電池廠的目的也是為了降低電池組的成本，這樣就能為具有足夠行駛里程的電動汽車創建規模經濟。

Musk在傳統鋰離子電池技術上做了一個大賭注。不過，他的想法也可能是正確的，但是也同樣面臨著風險。因為其他電池技術有可能比他目前正采用的技術更成功。這就是Sakti3公司的新技術：新型固態電池。Tesla的電池是由松下公司制造的，每千瓦時的成本目前大概是500美元。Frost&Sullivan研究公司能源與電力系統研究經理Vishal Sapru認為Tesla最多能在2020年將電池成本降至每千瓦時250美元。而Sakti3公司宣稱其電池成本可達到每千瓦時100美元。

Sakti3公司自成立以來一直致力于技術研究，擁有包括通用汽車公司投資的320萬美元在內的3 000萬美元的風險投資。根據美國科學人雜志的消息，Sakti3公司聯合創始人和首席執行官Ann Marie Sastry稱，經過潛心研究，他們設計的固態鋰離子電池能量密度達到1 143 Wh/L，這樣的電池性能不僅能夠大幅提升電動汽車單次充電的行駛里程，還可以幫助降低電動汽車的價格。而且電池具有可擴展性，因此可生產大容量電池。

在電動汽車行業中，“最神圣”的數字就是300英里和100美元。300英里指的是，汽車單次充電后可以行駛的距離，美國人非常看重這一點；100美元指的是，電動汽車電池每千瓦時的成本，只有這樣，電動汽車的價格才有可能與燃油汽車競爭。Ann Marie Sastry博士稱：“我們的目標是大規模生產100美元/kWh的電池。我們已經發布了關鍵的專利技術并加快進程繼續開發研究。”Sakti3公司還稱，他們很快就能將這兩個數字變成現實。近幾年，這家新興公司時常成為業內人士議論的主題。但對外界而言，該公司總是半遮半掩，他們會面對媒體，卻對自己的技術只有只言片語。如果實現了這一目標，公司將為特斯拉ModelS電動汽車制造60 kWh的電池，售價僅為6 000美元。該公司最初針對消費電子產品市場，如果一切順利，消費電子之后就是電動汽車電池。公司表示，配備Sakti3電池的ModelS電動汽車行程將從256英里提升到480英里。

對于這樣一款高新技術產品我們該持怎樣的態度呢？當然這類先進技術對電動汽車的發展有著非常積極的作用，能量密度仿佛電動汽車的“圣杯”一樣，起到非常重要的作用，因為現在絕大多數消費者還是不信賴電動汽車的續航能力，高密度電池有助于消除人們的后顧之憂。在一個有限空間內儲存的電能越多，車輛能夠利用的能量也就越多，道路上的行駛距離自然就越遠。

較高的能量密度還有一個好處，就是節約成本。如果電動汽車單次充電行駛里程達到300英里，幾乎所有的駕駛者都會滿意這樣的數據。因此儲存相同的能量，高密度電池組無需傳統電池那么大的體積，節省了材料，每輛電動汽車成本下降也是理所應當的。無論尺寸是大是小，電池組在加工流程中都有著固定成本，Sakti3公司研發人員正盡全力縮減每千瓦時電池組的成本。

Sakti3公司制造鋰電池的固態技術與生產平板顯示器和光伏太陽電池的薄膜技術是一樣的

Sakti3固態電池利用與生產平板顯示器和光伏太陽電池相似的薄膜沉積工藝制造，固態意味著電池中不含有液態電解質，每一層電池材料不僅分成正負兩極，還要充當電解液的角色，以實現電子的有向運動。至于分離的電池材料層之間使用的化學物質，現在還屬于商業機密。不過有人認為這種化學物質由鋰超離子導體（一種含有鋰、硫、鍺和磷的固態陶瓷材料）制成，它替代當前的液態電解質后不僅能節省空間還能降低質量。自動化的制造工藝在降低成本的同時，還能大大降低因不適當的充電或碰撞造成的化學熔化的可能性。

目前還沒有很多關于Sakti3固態鋰離子電池的信息，消費者們也不要對該創新產品過于樂觀。此新型電池至今還沒在實驗室之外進行過測試，也沒有任何消息顯示該產品的能量密度是獨立查證的，絕大多數技術細節始終不被人所知。但是可以肯定，Sakti3公司已經引起了通用汽車公司的關注；通用對類似技術研究了很多年，其下風險投資部門確認向Sakti3電池進行了技術投資。然而即便有通用這種大公司的關注和資金扶持，也無法保證固態電池一定能成功。

不過得益于通用的支持，Sakti3公司得到了一個研發創新科技的好機會，Sastry自信地說到，在不同種類電池單元上開展的企業內部測試顯示，他們的新產品擁有可靠的高能量密度。得益于太陽電池和平板顯示器技術的發展，才激發了Sakti3固態鋰離子電池理念；同樣參考該新型電池的設計，可以促進很多其他行業的未來發展。

除了價格超低外，Sakti3公司的電池還是目前為止最安全的電池技術，這要歸因于其所采用的全固態結構和電池所采用的材料。據Sakti3公司發布的錄像顯示在進行濫用測試時即使焊料因過熱掉入正循環的電池內，電池依然能正常地工作。

到目前為止，公司已在密西根的小型示范生產線上做了小批量生產，并聲稱會在未來1～2年內實現商業化。固態鋰離子電池是否會成為電動汽車能量源的主流配置，現在還不得而知，讓我們拭目以待吧。

研發歷程

2006年，Sastry和同事開始做一些復雜的數學優化方案，希望弄清楚，對于電動汽車的電池，在能量、電力、質量、容量、成本、安全性能等諸多重要因素中，哪些因素可以在一定程度上做一些讓步。他們的計算結果表明，傳統鋰電池中的液體電解質，以及為了容納電解質相關的包裝都可以舍棄。原因很簡單：與汽油不同，鋰電池中的電解液會發生二級化學反應，從而使電池電力減弱，甚至使電池溶解或者起火。此外，由于電解液的微妙性質，用在汽車上的鋰電池通常需要包裹冷卻管、電子控件等，這無疑提高了成本，額外增加了汽車質量。

Sakti3公司使用的是真空沉積法。在真空沉積法中，材料是一層一層地沉積而成——首先是正極，接著是集流體、夾層、負極……將整個操作過程都在真空環境下進行。Sastry說到，盡管在真空環境下操作成本也不算低，但是成本效益卻不錯。“首先，固態鋰電池不需經過‘熟化’過程，一生產出來就可以使用，而現有技術生產的電池，這個過程需要30到60天才能投入使用。“此外，固態電池的產量也很高”，Sastry說。早期，就是因為受制于生產效率，固態電池發展緩慢。“我們剛開始做固態電池時，發現很多文獻里都提到了這類電池，但在生產時，相關機構或人員都使用效率低下的生產平臺，導致成本總是很高。我們使用了數字模擬技術，一開始就在尋找成本低廉的生產工具，”Sakti3公司使用的是定制化原型生產線。時間越久，Sakti3公司就越能盈利。太陽電池板、平板顯示器和其他的固態電子產品生產采用的一些技術，Sakti3也大量地加以利用和研究。“因為這些技術先進，節約成本，并且，與我們的需求也非常吻合，”Sastry說到，“我們將從中受益”。

當然，還要考慮很多其他的因素，比如電池的壽命是多長？電池在報廢前，總共能充放電多少次？Sastry說，新型電池的化學反應比傳統鋰電池簡單，因此，它的壽命應該會更長。“我們也希望它有很長的生命周期”。那安全性能怎么樣呢？“固態電池去除了電池中最具危險性的部分，”她繼續說，“你可以將電池劈成兩半，也可以讓電池處于高溫環境，但電池仍能繼續工作。”CJPS

Sakti3固態鋰離子結構圖