3月10日，多家媒體報(bào)道三星電子（注意，是三星電子，不是三星SDI，這部分會(huì)在后邊解釋原因）在《自然》雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)全固態(tài)電池技術(shù)的論文。
該技術(shù)采用了沉積型鋰金屬負(fù)極技術(shù)，并解決了影響電池壽命與安全性的枝晶問題，可以使電池尺寸也減半。這里面的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容是固態(tài)代替電解質(zhì)代替了液態(tài)，并且大幅減少了負(fù)極材料，隨著電解質(zhì)的固態(tài)化安全性得到了提高。
鋰金屬負(fù)極一直都被枝晶問題所困擾，這部分三星采用了銀-碳（Ag-C）納米粒子復(fù)合層來解決。通過將復(fù)合層的厚度減小至5μm，可以減小電池總體積，在相同體積下的能量密度自然也得到提升。據(jù)報(bào)道說，該技術(shù)與傳統(tǒng)電池相比，在相同的體積和重量下，可以達(dá)到約800㎞續(xù)航。電池循環(huán)次數(shù)為1,000次，這部分或許應(yīng)該更高一些，理想情況下最好可以保證10年以上的使用壽命。
Ag-C納米粒子復(fù)合層
所以說，三星全固態(tài)技術(shù)的核心是Ag-C納米粒子復(fù)合層。下圖中四個(gè)柱形圖解釋了固態(tài)電池開發(fā)的演進(jìn)路徑。
左1是現(xiàn)有的鋰電池結(jié)構(gòu)，粗略看來正負(fù)極大小接近1:1。首先是將隔膜和液態(tài)電解質(zhì)（中間藍(lán)色細(xì)條部分）轉(zhuǎn)變成固態(tài)電解質(zhì)，轉(zhuǎn)變后就可以稱之為全固態(tài)電池了。然后是負(fù)極由石墨轉(zhuǎn)變?yōu)殇嚱饘伲ㄗ?）。當(dāng)負(fù)極采用鋰金屬材料時(shí)，負(fù)極的體積就會(huì)大大減小，電池總體積也隨之減小，能量密度增加。電池中鋰離子含量代表電池容量的大小，而這取決于正極的大小。因此在相同體積下正極尺寸增大，能量密度就增加了。但鋰金屬負(fù)極一直存在著枝晶問題，三星電子的新技術(shù)則用5μm厚的Ag-C納米顆粒復(fù)合層將負(fù)極中鋰金屬材料替代掉了（右1/2）。
進(jìn)一步看一下《自然》的那篇論文，首先是電解質(zhì)的部分，采用的是硫化物固態(tài)電解質(zhì)（SSE）。由于目前業(yè)界對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了較多研究，實(shí)現(xiàn)起來似乎并不困難。此外，由于SSE柔軟的機(jī)械性能，只需采用簡(jiǎn)單的壓制法就可以批量生產(chǎn)。但據(jù)說這部分還有些問題待解決，因?yàn)樵谥圃爝^程中會(huì)產(chǎn)生硫化氫有毒氣體。
鋰金屬負(fù)極在實(shí)際使用過程中會(huì)產(chǎn)生枝晶，導(dǎo)致體積膨脹并影響到循環(huán)壽命。因此三星選擇的方法是去除鋰金屬材質(zhì)，論文中說是采用了僅使用集電體而無負(fù)極的概念。因此就需要一種替代原有負(fù)極功能的材料，而這個(gè)材料就是Ag-C納米顆粒復(fù)合層。根據(jù)論文中的描述，Ag可溶于鋰，可降低鋰的晶核能量，有助于將鋰均勻地沉積在集電體上。這部分有點(diǎn)難理解，但效果已經(jīng)得到驗(yàn)證。
該復(fù)合層中由于使用了銀，成本會(huì)有所增加，因此就需要減小厚度，并采用碳納米粒子。但有傳聞?wù)f碳納米粒子的量產(chǎn)目前還未得到完全解決。最近，有一些中小初創(chuàng)企業(yè)正在嘗試，并可以根據(jù)一些情況大概判斷可量產(chǎn)的時(shí)間。而且這些企業(yè)開發(fā)的材料大部分都是專門針對(duì)電池的正負(fù)極材料的。
比如，像JEIO這家企業(yè)計(jì)劃在未來2年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)投資，有望大幅降低單位價(jià)格。如此看來，似乎碳納米粒子相關(guān)的進(jìn)展也在穩(wěn)步推進(jìn)，在未來2年將會(huì)取得一些成果。
三星電池從研發(fā)到量產(chǎn)的流程
在論文底部會(huì)發(fā)現(xiàn)，署名是Samsung Advanced Institute of Technology（SAIT）、三星電子和三星日本的研發(fā)中心。
進(jìn)入SAIT的官網(wǎng)首頁，馬上就會(huì)看到有關(guān)這次固態(tài)電池研究成果的信息。SAIT的中文名稱是“三星綜合技術(shù)院”。
研究范圍包括AI、電池材料、半導(dǎo)體、OLED顯示材料等等。
點(diǎn)擊電池材料部分進(jìn)去，就會(huì)看到有關(guān)開發(fā)下一代動(dòng)力電池材料的內(nèi)容。三星的材料研究所其實(shí)之前是三星電子和三星SDI共同建立的，但后來二者因業(yè)務(wù)側(cè)重點(diǎn)不同又分開了。因此，我們就知道了三星綜合研究院也在進(jìn)行電池材料研究，并且官網(wǎng)上顯示最近的研究重點(diǎn)是包含固體電解質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)。
其實(shí)三星電子的綜合技術(shù)研究院和三星SDI電子材料研究所幾乎位于同一地點(diǎn)，都在水原市。前面已經(jīng)說到之前為同一家機(jī)構(gòu)，之后分家。目前三星SDI材料研究所的角色就是，將三星技術(shù)學(xué)院開發(fā)的材料相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試，然后再由SDI的開發(fā)部門進(jìn)行量產(chǎn)前的Pilot生產(chǎn)，最后在工廠進(jìn)行正式量產(chǎn)。
因此，這次宣布的全固態(tài)技術(shù)是由三星綜合技術(shù)研究院開發(fā)的，目前的進(jìn)度還沒有到三星SDI的驗(yàn)證測(cè)試階段。由此可以推測(cè)，在最為理想的情況下大概至少需要2年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)最終量產(chǎn)。另外，如上所述，碳納米顆粒的量產(chǎn)部分也都要跟進(jìn)，而目前來看進(jìn)度還挺同步的。
不過，目前我想大多數(shù)人都是在翹首期盼著特斯拉下月的電池秀吧？
