近年來，電動車的購買量一直在上升，去年僅美國市場的年同比增長率達到 37％；而在中國，2016 年新能源汽車總產(chǎn)量達到 518,582 輛，同比增長38.8%，純電動占比81.9%，插電式混合動力占比18.1%。
有預計指出，截至 2022 年，電動車的使用率將大幅提升，屆時電動車的預計成本將與內(nèi)燃機機動車持平。然而，這些估計基于的假定是，現(xiàn)有的鋰離子電池仍然將是電動車的主要電力來源。
德州大學奧斯汀分校科克雷爾工學院（Cockrell Engineering School）94歲高齡的約翰·古迪納夫（John Goodenough）教授是鋰離子電池共同發(fā)明者。現(xiàn)如今，他又帶領工程師團隊打造了一個新型全固態(tài)電池，這意味著對電池驅(qū)動汽車的預測將有可能得到大幅調(diào)整。
這位電池領域的泰斗級人士表示，“我認為，我們現(xiàn)在有可能做到20年來一直想做的事情——就是為了得到一臺在成本和便利性上與內(nèi)燃機具備競爭力的電動汽車。“
如果取得成功，這一新發(fā)明的重要性不言而喻——我們的手持移動設備，電動汽車與固定儲能系統(tǒng)將能夠用上更安全、充電更快、更為持久的可充電電池。但問題是，近幾年號稱在電池上取得突破性進展的機構(gòu)、科學家和廠商不在少數(shù)。但我們究竟應該相信誰？
對此，麻省理工學院材料科學和工程學教授、電池領域的著名專家 Donald Sadoway 表示，“當約翰·古迪納夫發(fā)表了什么，會引起我的關(guān)注。他是非常棒的科學家，也是該領域內(nèi)的頂級專家。他的聲音值得傾聽。”
換而言之，誰又會比鋰電池技術(shù)聯(lián)合發(fā)明人約翰·古迪納夫更有資格來取得電池技術(shù)新的突破？
回到技術(shù)本身，古迪納夫教授的這項突破是一款新型的低成本的全固態(tài)電池。這款電池所具有相當多的優(yōu)點：不易燃燒、體積能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快等。該研究由科克雷爾工程學院高級研究員瑪利亞·海倫娜·布拉加（Maria Helena Braga）與古迪納夫教授共同完成。
這一里程碑式的研究于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》（Energy & Envrionmental Science）上。
研究人員的實驗表明，他們開發(fā)出的新電池的能量密度至少是當下鋰離子電池的三倍。從文章中的數(shù)據(jù)來看，這款電池的完全放電的能量密度為10.5Wh/g，而在可循環(huán)電壓范圍內(nèi)，能量密度為8.5Wh/g。當應用于新能源汽車時，更高的能量密度意味著，一輛電動汽車一次充電后的活動半徑將被大幅提高。
此外，全固態(tài)電池的固有特性還增加了電池的充放電次數(shù)（更耐用）。同時，新電池的充電速率也得以大幅提升（只需要數(shù)分鐘，而不是以往的數(shù)小時）。
古迪納夫教授指出：“成本、安全性、能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命等因素決定了電動汽車能否被社會所廣泛接受。我們相信，這一發(fā)現(xiàn)解決了當前電池中許多固有的難題。”
當今的鋰離子電池多使用液態(tài)電解質(zhì)，從而實現(xiàn)鋰離子在陽極和陰極之間的輸送。但是如果電池單元充電的速度過快，它會導致鋰離子析出，形成橫跨液體電解質(zhì)的枝晶，或者所謂的“金屬晶須”，從而引起電池短路，并有可能引起爆炸或者火災。類似的情況也會發(fā)生在其他堿金屬，如鈉，鉀中。
因此，盡管理論上堿金屬陽極能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電池能量密度，并且提高循環(huán)壽命，但是目前來看，安全性仍然是制約電池使用堿金屬陽極的主要因素。
當前的鋰離子電池，陽極材料多為嵌入的鋰化合物，如鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳尖晶石等，它們會與液態(tài)電解質(zhì)反應，生成一層厚約20nm左右，能通導鋰離子，但是不通導電子的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜（Solid-electrolyte interphase），這一層界面膜能阻止鋰與電解質(zhì)溶液的進一步接觸，故而能提升電池的安全性與穩(wěn)定性。但是另一方面，這一層界面膜會消耗陽極與電解質(zhì)，因而會降低電池的效率。
在論文中，研究者們使用了非晶電解質(zhì)取代了常規(guī)電池中所使用的液體電解質(zhì)。與常規(guī)電池中的液體電解質(zhì)相似，這種固態(tài)電解質(zhì)也能很好的通導鋰離子與鈉離子。不僅如此，由于這種固體電解質(zhì)其導帶（conduction band）的能量要高于鋰的費米能級，因而不會形成在常規(guī)電池中出現(xiàn)的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜，從而提升了電池的效率。
另一方面，與堿金屬陽極接觸的固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地避免陽極生成枝晶結(jié)構(gòu)，因而能夠完全消除鋰離子電池中的安全隱患。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種電池能在保持很低的電池內(nèi)阻情況下，能實現(xiàn)多達1200余次的充放電。下圖給出了電池長達1000多小時的充放電測試曲線。從這個電壓-時間曲線中，可以看出這款新型鋰-硫電池在很長的循環(huán)壽命中，仍然能夠保持非常穩(wěn)定的放電電壓。
在對于工作環(huán)境溫度的適應性上，全固態(tài)電池有著巨大的優(yōu)勢。由于固體非晶電解質(zhì)在低至零下20攝氏度的環(huán)境中仍然具有很高的導電性，因此可以確保電動汽車在零度以下的天氣中仍然能正常工作。在耐高溫方面，新電池還是世界上第一款能夠在60攝氏度下工作的全固態(tài)電池組。
除了上述特點外，這項工藝還有一個優(yōu)點——電池可以用更加環(huán)保的材料制成。布拉加表示，非晶電解質(zhì)可以用低成本的鈉來代替鋰，而鈉可以輕易地從海水中獲取。
古迪納夫教授和布拉加現(xiàn)在正在繼續(xù)推進他們的電池研究，并且正準備申請專利。他們在近期計劃與電池制造商合作，開發(fā)和測試為電動汽車和能源存儲裝置提供的新型電池。
對此，古迪納夫表示，“下一步是要證明負極問題已經(jīng)得到了解決。解決負極問題意味著，我們將能著手大容量電池的研發(fā)。目前，我們做的電池和一個夾心蛋糕卷差不過大小，但它完全能正常工作。我對達成最終目標充滿信心。最終產(chǎn)品的開發(fā)會與電池生產(chǎn)商合作完成，我才不想做產(chǎn)品研發(fā)，也不想做生意，畢竟我已經(jīng)94歲了，要那些錢也沒什么用。”
