減少碳排放的迫切需要正促使人們迅速走向電氣化交通，并在電網(wǎng)上擴大太陽能和風能的部署。如果這些趨勢如預(yù)期的那樣升級，對更好的電能儲存方法的需求將加劇。

"我們需要所有我們能得到的策略來應(yīng)對氣候變化的威脅。"ElsaOlivetti博士說，他是Esther和HaroldE.Edgerton材料科學和工程的副教授。顯然，開發(fā)基于電網(wǎng)的大規(guī)模存儲技術(shù)是至關(guān)重要的。但對于移動應(yīng)用--特別是運輸--許多研究都集中在調(diào)整今天的鋰離子電池，使其更安全、更小，并能為其尺寸和重量儲存更多的能量。

傳統(tǒng)的鋰離子電池繼續(xù)改進，但它們的局限性仍然存在，部分原因是其結(jié)構(gòu)。鋰離子電池由兩個電極組成，一個是正極，一個是負極，夾在一個有機（含碳）液體中。當電池被充電和放電時，帶電的鋰粒子（或離子）通過液體電解質(zhì)從一個電極傳到另一個電極。

這種設(shè)計的一個問題是，在某些電壓和溫度下，液態(tài)電解質(zhì)可能會變得揮發(fā)并起火。奧利維蒂小組的研究科學家凱文-黃博士（KevinHuangPh.D.'15）說："電池在正常使用情況下一般是安全的，但風險仍然存在。

另一個問題是，鋰離子電池并不適合用于汽車。大而重的電池組會占用空間，增加車輛的整體重量，降低燃油效率。但事實證明，要使今天的鋰離子電池更小、更輕，同時保持其能量密度--即每克重量所儲存的能量--是很困難的。

為了解決這些問題，研究人員正在改變鋰離子電池的關(guān)鍵特征，以制造一個全固體，或"固態(tài)"版本。他們用一種薄的固體電解質(zhì)取代中間的液體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)在很大的電壓和溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定。有了這種固體電解質(zhì)，他們使用了一個高容量的正電極和一個高容量的鋰金屬負電極，其厚度遠遠低于通常的多孔碳層。這些變化使得在保持其儲能能力的同時大大縮小了整個電池，從而實現(xiàn)了更高的能量密度。

這些特點--增強的安全性和更大的能量密度--可能是潛在的固態(tài)電池最常被吹捧的兩個優(yōu)點，然而所有這些東西都是前瞻性的，希望的，而不一定能實現(xiàn)。然而，這種可能性使許多研究人員爭先恐后地尋找能夠?qū)崿F(xiàn)這一承諾的材料和設(shè)計。

超越實驗室的思考

研究人員已經(jīng)想出了許多耐人尋味的方案，在實驗室里看起來很有希望。但是Olivetti和Huang認為，鑒于氣候變化挑戰(zhàn)的緊迫性，額外的實際考慮可能是重要的。奧利維蒂說："我們研究人員在實驗室里總是有一些指標來評估可能的材料和工藝。例子可能包括儲能能力和充/放電率。但如果目的是實施，我們建議增加一些指標，專門解決快速擴展的潛力。"

基于工業(yè)界在當前鋰離子電池方面的經(jīng)驗，麻省理工學院的研究人員和他們的同事、加州大學伯克利分校的丹尼爾-M-泰勒普特聘工程教授GerbrandCeder提出了三個廣泛的問題，這些問題可以幫助確定由于材料選擇而對未來規(guī)模擴大產(chǎn)生的潛在限制。首先，對于這種電池設(shè)計，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，材料的可用性、供應(yīng)鏈或價格波動是否會成為一個問題？請注意，擴大開采所引起的環(huán)境和其他問題不在本研究的范圍之內(nèi)）。第二，用這些材料制造電池是否會涉及到困難的制造步驟，在這些步驟中零件可能會失效？第三，為確保基于這些材料的高性能產(chǎn)品所需的制造措施最終會降低還是提高所生產(chǎn)電池的成本？

為了證明他們的方法，Olivetti、Ceder和Huang研究了一些研究人員正在研究的電解質(zhì)化學和電池結(jié)構(gòu)。為了選擇他們的例子，他們轉(zhuǎn)向了以前的工作，在這些工作中，他們和他們的合作者使用文本和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來收集文獻中報告的材料和加工細節(jié)信息。從該數(shù)據(jù)庫中，他們選擇了幾個經(jīng)常報道的選項，代表了一系列的可能性。

材料和可用性

在固體無機電解質(zhì)的世界里，有兩大類材料--含有氧氣的氧化物和含有硫磺的硫化物。Olivetti、Ceder和Huang專注于每一類中一個有希望的電解質(zhì)選項，并研究了每一類的關(guān)鍵關(guān)注要素。

他們考慮的硫化物是LGPS，它結(jié)合了鋰、鍺、磷和硫。基于可用性的考慮，他們把重點放在了鍺上，這種元素引起了人們的關(guān)注，部分原因是它通常不會被單獨開采。相反，它是在開采煤和鋅的過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。

為了調(diào)查它的可用性，研究人員調(diào)查了在過去六十年里，在煤炭和鋅的開采過程中每年產(chǎn)生多少鍺，然后再調(diào)查可以生產(chǎn)多少。結(jié)果表明，即使在最近幾年，也可以生產(chǎn)100倍的鍺。鑒于這種供應(yīng)潛力，鍺的可用性不可能限制基于LGPS電解質(zhì)的固態(tài)電池的放大。

研究人員選擇的氧化物LLZO的情況看起來不那么樂觀，它由鋰、鑭、鋯和氧組成。鑭的提取和加工主要集中在中國，而且可用的數(shù)據(jù)有限，所以研究人員沒有嘗試分析其可用性。其他三種元素的供應(yīng)量很豐富。然而，在實踐中，必須添加少量的另一種元素，即摻雜劑，以使LLZO易于加工。因此，研究小組把重點放在鉭上，它是最經(jīng)常使用的摻雜劑，是LLZO的主要關(guān)注元素。

鉭是作為錫和鈮開采的副產(chǎn)品產(chǎn)生的。歷史數(shù)據(jù)顯示，在錫和鈮的開采過程中，鉭的產(chǎn)量比鍺的產(chǎn)量更接近潛在的最大值。因此，鉭的可用性對于可能擴大基于LLZO的電池規(guī)模來說是一個更值得關(guān)注的問題。

但是，知道一種元素在地下的可用性并不能解決將其送到制造商手中所需的步驟。因此，研究人員調(diào)查了一個關(guān)于關(guān)鍵元素的供應(yīng)鏈的后續(xù)問題--采礦、加工、提煉、運輸?shù)鹊取＜僭O(shè)有豐富的供應(yīng)，運送這些材料的供應(yīng)鏈能否迅速擴大，以滿足對電池不斷增長的需求？

在抽樣分析中，他們研究了鍺和鉭的供應(yīng)鏈需要逐年增長多少，才能為預(yù)計2030年的電動汽車車隊提供電池。作為一個例子，一個經(jīng)常被引用為2030年目標的電動汽車車隊將需要生產(chǎn)足夠的電池來提供總共100千兆瓦時的能量。為了實現(xiàn)這一目標，僅使用LGPS電池，鍺的供應(yīng)鏈需要逐年增長50%--這是一種延伸，因為過去的最大增長率約為7%。如果只使用LLZO電池，鉭的供應(yīng)鏈將需要增長約30%--增長率遠遠高于歷史上最高的約10%。

這些例子表明，在評估不同固體電解質(zhì)的放大潛力時，考慮材料可用性和供應(yīng)鏈的重要性。Huang說："即使一種材料的數(shù)量不是問題，就像鍺的情況一樣，擴大供應(yīng)鏈中的所有步驟以配合未來電動汽車的生產(chǎn)，可能需要一個實際上是前所未有的增長率。"

材料和加工

在評估電池設(shè)計的擴展?jié)摿r，要考慮的另一個因素是制造過程的難度以及它可能對成本產(chǎn)生的影響。制造固態(tài)電池不可避免地涉及許多步驟，而任何步驟的失敗都會提高每一個成功生產(chǎn)的電池的成本。正如Huang所解釋的那樣，你不會運送這些失敗的電池；你會把它們?nèi)拥簟５氵€是在材料、時間和加工上花了錢。

作為制造難度的代理，Olivetti、Ceder和Huang探討了他們數(shù)據(jù)庫中選定的固態(tài)電池設(shè)計的失敗率對總成本的影響。在一個例子中，他們專注于氧化物LLZO。LLZO是非常脆的，在制造過程中涉及的高溫下，足夠薄的大型板材在高性能固態(tài)電池中使用，很可能會出現(xiàn)裂紋或翹曲。

為了確定這種故障對成本的影響，他們模擬了組裝LLZO電池的四個關(guān)鍵加工步驟。在每個步驟中，他們根據(jù)假定的產(chǎn)量來計算成本，即成功加工而不發(fā)生故障的總單元的比例。對于LLZO，收益率遠遠低于他們研究的其他設(shè)計；而且，隨著收益率的下降，每千瓦時（kWh）電池能量的成本也大幅上升。例如，當在最后的陰極加熱步驟中多出5%的單元時，成本增加了約30美元/千瓦時--考慮到這種電池普遍接受的目標成本是100美元/千瓦時，這種變化是微不足道的。顯然，制造上的困難會對大規(guī)模采用設(shè)計的可行性產(chǎn)生深遠的影響。