未来的电动汽车超级电池由岩石制成

10 年后，由岩石硅酸盐制成的固态电池将成为我们今天使用的锂离子电池的环保、更高效、更安全的替代品。DTU 的研究人员为一种基于硅酸钾的新型超离子材料申请了专利，硅酸钾是一种可以从普通岩石中提取的矿物。

DTU 研究员 Mohamad Khoshkalam 发明了一种基于岩石硅酸盐的新材料，用于固态电解质，有可能在未来电动汽车电池中取代锂。摄影： Frida Gregersen

作者 卡特琳·丹克耶尔

电动汽车中的电池决定了您一次充电可以行驶多远以及充电的速度。然而，锂离子电池是当今使用最广泛的电动汽车电池，在容量、安全性和可用性方面都有其局限性。因为锂是一种昂贵、对环境有害的材料，而且这种相对稀有的金属稀缺性会阻碍汽车运输的绿色转型。

随着越来越多的人转向电动汽车，我们需要开发新一代无锂电池，这种电池至少同样高效，但更环保，生产成本更低。这需要电池的主要部件采用新材料;阳极、阴极和电解质，以及开发新的电池设计。

这是一个目前占据世界各地研究人员的研究领域，因为当我们找到新的电池“配方”时，它将大大减少运输部门的碳排放。

在 DTU，研究人员 Mohamad Khoshkalam 发明了一种有可能在未来超级电池中取代锂的材料：基于硅酸钾和硅酸钠的固态电池。这些是岩石硅酸盐，是地壳中最常见的一些矿物。它可以在海滩或花园里捡到的石头中找到。新材料的一大优点是它对空气和湿度不敏感。这使得它可以在电池内部模制成薄如纸的层。

专利超离子材料

基于硅酸钾的乳白色、薄如纸的材料的潜力是巨大的。它是一种廉价、环保的材料，可以从覆盖地球表面 90% 以上的硅酸盐中提取。该材料可以在 40 度左右传导离子，并且对水分不敏感。

这将使扩大规模和未来的电池生产更容易、更安全、更便宜，因为生产可以在开放环境和接近室温的温度下进行。该材料还可以在不添加昂贵且对环境有害的金属（例如钴）的情况下工作，钴目前用于锂离子电池以提高容量和使用寿命。

“硅酸钾作为固态电解质的潜力早已为人所知，但在我看来，由于钾离子的重量和尺寸的挑战而被忽视了。离子很大，因此移动速度较慢，“Mohamad Khoshkalam 说。

要了解 Mohamad Khoshkalam 发现的观点，必须首先了解电解质在电池中发挥的关键作用。电池中的电解质可以是液体或固体材料，即所谓的固态电解质。电解质允许离子在电池的阳极和阴极之间移动，从而维持放电和充电过程中产生的电流。换句话说，电解液对电池容量、充电时间、使用寿命和安全性至关重要。

事实

电池技术

电池的工作原理是将化学能转化为电能。它由三个部分组成：正极（阴极）、负极（阳极）和电解质。

当电池连接到设备时，化学反应会在阳极释放电子。这些电子穿过外部电路并为器件供电，而正离子通过电解质到达阴极，在那里它们与释放的电子反应形成新的化合物。

这个过程一直持续到电池中的化学能耗尽。放电后，可以通过提供外部电能为电池充电，从而逆转反应并恢复电池中的原始化合物。

锂离子电池的工作原理是将锂离子通过电解质液体从阴极（由包括锂和钴在内的金属混合物制成）移动到阳极（由石墨制成）。锂离子和钾离子电池的工作原理相同。在这里，锂被简单地替换为钾。还对钠离子、铝离子和镁离子电池进行了研究。

在固态电池中，离子不会穿过电解质液体，而是穿过称为固态电解质的超薄固体材料。这种材料可以由锂、钠、钾、氧化物和硫化物的形式制成。

电解质的电导率取决于离子在电解质中的移动速度。硅酸盐岩石中的离子通常比锂基液体电解质或固态电解质中的离子移动得慢，因为它们更大更重。但 Mohamad Khoshkalam 已经找到了硅酸钾超离子材料的配方，以及一种使离子移动速度比锂基电解质更快的工艺。

“对电池组件的首次测量表明，该材料作为固态电解质具有非常好的导电性。我不能透露我是如何开发这种材料的，因为配方和方法现在已经获得了专利，“Mohamad Khoshkalam 继续说道。

用于固态电池的电池单元可以完全薄。在实验室中，固态电解质的生产分为六个步骤，固态电解质是一种位于电池负极和阴极之间的薄如纸的材料。摄影： Frida Gregersen

第 1 步：根据硅酸钾制作粉末。摄影： Frida Gregersen

第 2 步：将粉末与粘合剂和溶剂混合，将液体溶液倒入滚筒上，滚筒将材料擀成薄层。评估溶液的质量，以制备缺陷较少的固体电解质。摄影： Frida Gregersen

第 3 步：将溶液擀成薄如纸的白色层。检查材料的质量以避免厚度错误，例如在材料成型和干燥之前。摄影： Frida Gregersen

第 4 步：将材料模制成细长的白色胶带，并在胶带脚轮中干燥。一次最多可以生产 10 米的胶带材料。摄影： Frida Gregersen

第 5 步：固态电解质的最终质量控制。然后将其移动到手套箱中，与阳极和阴极一起组装成固态电池。摄影： Frida Gregersen

第 6 步：混合固态电池组装在箔中。摄影： Frida Gregersen

每个人都在等待的电池

研究人员和电动汽车制造商都认为固态电池是未来的超级电池。最近，丰田宣布，他们预计将在 2027-28 年推出一款配备锂固态电池的电动汽车。然而，几家汽车制造商此前曾宣布推出配备固态电池的电动汽车，但随后又退出了。

在固态电池中，离子穿过固体材料，而不是像您可以在超市买到的普通 AA+ 锂离子电池那样穿过液体。这有几个优点;离子可以更快地穿过固体材料，使电池充电更高效、更快速。

单个电池单元可以制成像纸板一样薄，其中阳极、阴极和固态电解质是超薄材料层。这意味着我们可以制造更强大的电池，占用更少的空间。这在道路上提供了好处，因为一次充电 10 分钟可行驶 1,000 公里。此外，固态电池更防火，因为它不含可燃液体。

然而，在我们将固态电池推向市场之前，有几个挑战需要解决。该技术在实验室中运行良好，但难以放大且成本高昂。首先，材料和电池研究既复杂又耗时，因为材料非常敏感，需要先进的实验室和设备。我们今天使用的锂离子电池花了 20 多年时间才开发出来，我们仍在开发它们。

其次，我们需要开发新的电池生产和密封方法，使电池芯中的超薄材料层不会破裂并持续接触才能工作。在实验室中，您可以通过在高压下将电池单元的各层压在一起来解决它，但很难转移到由许多电池单元组成的商用电动汽车电池上。

固态岩石电池是高风险技术

与锂固态电池不同，基于硅酸钾和钠的固态电池具有较低的 TRL（技术成熟度）。这意味着从实验室发现到将技术推向社会并产生影响，还有很长的路要走。我们最早可以在 10 年后在市场上的新电动汽车中看到它们。

它也是一项高风险技术，商业成功的机会很小，技术挑战很多。尽管如此，Mohamad Khoshkalam 还是充满了乐观：

“我们已经证明，我们可以找到一种廉价、高效、环保且可扩展的固态电解质材料，其性能甚至优于固态锂基电解质。”

在 DTU 实验室发现该配方一年后，Mohamad Khoshkalam 获得了该配方的专利，并正在建立初创公司 K-Ion，该公司将为电池公司开发固态电解质组件。 K-ion 是 DTU Earthbound 计划的一部分，他们获得支持，以更快地将研究成果带出实验室并进入社会以产生影响。

Mohamad Khoshkalam 和他的团队下一步是开发一种演示电池，可以向公司和潜在投资者展示这种材料有效。原型预计将在 1-2 年内准备就绪。

事实

未来的电池

现在：改进版本的锂离子电池

锂的离子传导能力很难被击败，但这种材料价格昂贵且难以获得。我们将看到钴和锂浓度较低的新型改进型锂离子电池。

5 年内：钠离子和钾离子电池，以及锂固态电池

钠离子和钾离子电池具有较高的 TRL（技术就绪水平）。几家汽车制造商预计在 5 年内量产它。锂固态电池的发展更进一步。因此，我们将在钾和钠固态电池之前在市场上看到它们。

最早的 10 年：岩石硅酸盐固态电池

钾和钠固态电池的 TRL 较低。这意味着在电池商业化之前必须采取许多步骤。该技术在实验室中有效，但在将技术放大为可大规模生产的功能性电动汽车电池之前，必须解决几个技术挑战。