不会爆炸起火的锂电池：美国Solid Power公司研究报告

我们坐飞机，装有锂电池的笔记本是不能单独托运的，必须随身携带，带来了很多不便。锂电池起火爆炸的新闻也屡见报端。那么什么样的技术可以使得锂离子电池更安全？美国SolidPower公司开发的固体电池技术能显著提高电池的安全性。...



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编者按：

我们坐飞机，装有锂电池的笔记本是不能单独托运的，必须随身携带，带来了很多不便。锂电池起火爆炸的新闻也屡见报端。常规的锂电池是用易燃的有机溶剂为电解质，新一代的是用聚合物作为电解质，但是这些都避免不了有机化合物的易燃的缺点。那么什么样的技术可以使得锂离子电池更安全，减少日常使用电子设备的安全隐患呢？美国Solid Power公司开发的固体电池技术， 就利用了不易燃的无机电解质，能显著提高电池的安全性。本报告对该公司技术进行了深度解析，同时对其投资价值进行了综合评估。

Solid Power是新一代固态充电电池的行业领先开发者，该公司在科罗拉多大学博尔德分校及国防高级研究计划局的资助下于2012年成立，近年来，公司还获得了美国空军,美国国家科学基金会和美国导弹防御局的资金支持。致力于为政府与商业市场开发出具有超高能、安全及长久使用寿命的固态可充电电池，被科罗拉多清洁技术行业协会命名为“新一代清洁技术公司”。Solid Power公司已经组建了一支世界级的电池研究员和工程师团队，包括了首席执行官及公司创始人DougCampbell、技术总监Joshua Beuttner Garrett和其他著名科学家，旨在将公司新一代固态可充电电池商业化。公司有着先进的科学技术，将异常高容量的阴极与高容量的锂金属阳极相结合，同时再与高离子电导率的固体电解液相连。电池材料采用100%的无机材料，无易燃和易挥发组分。这种电池与传统锂离子电池相比提供了更高的能量（2-3倍），同时，由于消除了一些与锂离子系统相关的安全特征的潜在消费，使得成本大大降低。

性能数据： 

能量密度：400到500 Wh/kg。

充放电循环次数：500次

数据来源：nature.com

成立时间：2012年

核心技术：先进的高离子电导率固体电解质材料，可以用来制作全固态锂电池。

融资状态：四次

产能：可以进行新材料的合成，小试，有样品电池展示。

公司网站：http://www.solidpowerbattery.com

产品： 全固态锂电池

公司地址：美国科罗拉多州

联系方式：info@solidpowerbattery.com

公司地位：高科技初创公司优势：没有可燃的液体电解质，非常安全，没有热失控风险，能量密度高，不需要额外的安全设备，循环稳定性良好，保质期长。

劣势：离子电导率低，界面电阻高，界面接触不良。

Solid Power的电池中，两个电极由固体电解质隔开，从而制造全固态电池，电解质具有高的离子导电性和电子绝缘性。复合 电极中，固体电解质加入用 来提高离子迁移速率，导电添加剂加入用来提高电导率。 导电机理：物质结构内部的肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷。



Solid Power电池结构示意图（作者自制）

材料设计理念： 

高移动离子浓度； 高离子空位，缺陷；

低导通活化能； 较多的导通通道

高极化的骨架离子； 通常玻璃态优于晶态

固体电解质的选择：

传统的固体电解质离子电导率低，限制了其应用。例如，干态高分子电解质为10^-5-10^-4 S/cm，电导率极低；凝胶高分子电解质为10^-3 S/cm，电导率尚可，但是易燃，机械性能差，无机固体电解质为LIPON 10^-6 S/cm，使用在固体电池中，会使得电池能量密度较低，只能在特定场合应用。

Solid Power公司的科学家们研究发现，将氧元素换成硫元素之后，可以得到更大，可极化的网络结构，有利于电导率的提高，进而提高全固态电池的能量密度，例如Thio-LISICON材料，磷掺杂之后可以进一步提高离子电导率。同时研究发现，玻璃态要比晶态的离子电导率更高。例如，Li10GeP2S12材料可以达到12 mS/cm（27摄氏度）。新电解质材料的应用，使得制造高性能的全固态电池成为可能。

Solid Power公司的主要专利之一：Lithium all-solid-state battery WO 2013133906 A3

FeS2/Li一次电池有相当高的能量密度894 mAh g^-1，远高于传统的LiCoO2电池140 mAh g^-1，但是，由于可溶性硫离子Sn2-的溶解和迁移，铁单质纳米粒子Fe0的团聚，这种电池循环性能较差。

使用新的固体电解质之后和制造技术之后，Solid Power的科学家们第一次研究了可逆的FeS2/Li电池在30到60摄氏度的反应情况，进行了dQ/dv和库仑测定，TEM表征，正交FeS2纳米颗粒具有更好的循环反应动力学性能。Li2-xFeS2 ↔ FeSy + (2-y)S + (2-x)Li+ + (2-x)e-就可以改写成Li2-xFeS2 ↔ 0.9ortho-FeS2 + 0.1FeS8/7 + 0.085S +(2-x)Li+ + (2-x)e-，这样电池的循环稳定性就得到了极大的提升。



图片来源：Prof. Lee 报告 (科罗拉多大学)

针对传统全固态电池中固体电解质和LiCoO2之间界面电阻高，接触不良的缺陷，Solid Power公司的科学家们使用ALD（原子层沉积技术）来解决这个问题，在层状LiCoO2材料的表面进行Al2O3原子层沉积，之后在氩气环境中进行热处理，在这个过程中，热扩散形成具有快离子导体性质的Li-Co-Al-O层，在第一次充电时，Li-Co-Al-O层与固体电解质部分相互扩散。在之后的充放电过程中，ALD层就可以起到锂离子通道的作用，从而减小界面电阻，改善接触状况。

在新的固体电解质材料，ALD技术等的帮助下，Solid Power公司制造的FeS2/Li全固态电池，相比现在比较先进的三元锂电池，（LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2/graphite）有明显的能量密度提升(1340 Wh/kg  VS  500 Wh/kg)，由于固体电解质成功地限制了电活性物质的副反应，该电池具有优秀的循环稳定性，而且，FeS2材料廉价，环境友好，具有较高能量密度。



图片来源：Prof. Lee 报告(科罗拉多大学)进一步提高材料的电导率，以提高电池大电流工作能力，提升功率密度；进一步提高电池的能量密度。

提高电导率的策略：

1，使用开放式框架结构的材料，例如，Na2O·Al2O3, NASICON, Li3N等，Na2O·Al2O3层状结构中的空隙可以供钠离子快速通过。

2，掺杂，通过使用在元素周期表中相邻位置的元素离子或者过渡元素中半径相近者掺杂，来调节材料的电子缺陷或者空穴，从而提高导电性。

3，制备复合物，例如，LiI/Al2O3在LiI，Al2O3的晶界有较高的离子电导率。

这些材料的研究和使用可以极大的提高电池的能量密度和功率密度。



上图来自真锂研究/墨柯  中国电池网/于清教撰写的2015年锂电池市场发展现状及2016年趋势预测，供读者阅读学习。President & CEO：Doug Campbell, 专业主要领域是先进材料市场，包括国防，航空航天，能源存储和可再生能源。 特长：确定融资机会，资源管理，战略伙伴关系发展，高效的技术可行性论证。

CTO：Joshua Beuttner-Garrett, 曾经就职于Phoenix Test Arrays, LLC，科罗拉多州立大学，ADA Technologies, Inc.，有丰富的电池和能源方面的研究经验。

Founder and Principal Scientist ：Prof. Se Hee Lee ，科罗拉多大学机械工程系教授，研究兴趣包括纳米材料在能源领域的应用（锂离子电池，超级电容，燃料电池）。

Founder and Principal Scientist ：Dr. Conrad Stoldt ，科罗拉多大学机械工程系副教授，研究兴趣包括能源转换和存储（锂离子电池，超级电容器，太阳能电池等），新的纳米材料和加工方法。

Senior Research Scientist：Heather A.S. Platt   Solid Power公司高级研究科学家，特长：新型光电子材料，光伏电池，锂离子电池，固态无机合成，薄膜沉积，旋涂，喷涂热解，气溶胶喷射印刷。

President & CEO：Doug Campbell, 专业主要领域是先进材料市场，包括国防，航空航天，能源存储和可再生能源。 特长：确定融资机会，资源管理，战略伙伴关系发展，高效的技术可行性论证。

CTO：Joshua Beuttner-Garrett, 曾经就职于Phoenix Test Arrays, LLC，科罗拉多州立大学，ADA Technologies, Inc.，有丰富的电池和能源方面的研究经验。

Founder and Principal Scientist ：Prof. Se Hee Lee ，科罗拉多大学机械工程系教授，研究兴趣包括纳米材料在能源领域的应用（锂离子电池，超级电容，燃料电池）。

Founder and Principal Scientist ：Dr. Conrad Stoldt ，科罗拉多大学机械工程系副教授，研究兴趣包括能源转换和存储（锂离子电池，超级电容器，太阳能电池等），新的纳米材料和加工方法。

Senior Research Scientist：Heather A.S. Platt   Solid Power公司高级研究科学家，特长：新型光电子材料，光伏电池，锂离子电池，固态无机合成，薄膜沉积，旋涂，喷涂热解，气溶胶喷射印刷。2013年8月，$3,459,250   由美国能源部ARPA-E资助

2013年9月，得到美国导弹防御局的资助

2013年12月，$ 250,000  由科罗拉多州的经济发展与国际贸易部门(COEDIT) 资助

2014年12月，$2.9 million   由美国空军资助技术价值：4星。理由：鉴于当前严峻的能源形势，能源方向，关于锂电，新电池研发方面的技术一旦能实现，将会对电动车，储能，以至于整个能源网络，都出产生极大的冲击和变革，所以该公司的技术价值较高。

可达到的市场规模：2星。理由：当前市场主要有几大巨头把持，新兴小公司在工艺流程，销售渠道等方面都比较弱势，而且公司产品还处于小规模试验阶段，从试验到有能力规模化生产，到安全性，各项性能测试合格，被市场接受，需要较长时间，所以可预见的一段时间内，市场规模不会很大。

竞争状况：5星。理由：同上，要面对日韩高端电池制造大厂和中国中低端低成本制造的竞争，考虑到Solid Power在美国，人力成本较高。

发展的障碍：3星。理由：目前来看，公司还处于小规模生产样品的阶段，问题主要在于能否尽快小批量生产能量密度高，安全的电池产品，只有相比之前的主流产品有极大的性能提升，才可能在渠道，销售等都不占优的情况下找到市场，障碍在于产品，产品理论上是很优秀的，需要看实物效果。

技术的专利状态：3星。理由：笔者所查阅到的专利，可以看到，原理性质的专利较多，说明该公司在新技术方面有独特之处，但是关于生产工艺的专利极少，说明该公司还处于初创阶段，缺少工艺的积淀。

技术管理能力：3星。公司的主要人员都有相关领域管理和研发的经历，鉴于目前的规模较小，给3星。

投资者的进入潜力：3星。笔者的观点是，投资者还会处于小规模投资和观望的状态，该公司收到的更多是政府机构的投资，不能准确的起到商业风向标的作用，只有小批量生产的电池性能优秀，才会吸引更多的投资者。

项目动机：4星。理由：同技术价值理由，能源问题关系重大，该公司制造更先进的电池，有助于能源问题的解决，从动机看是符合社会发展需求的。

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