固态电池有望实现更快的充电速度、更长的使用寿命和更高的安全性

与传统锂离子电池相比，固态电池充电时间更短，运行温度更低，并且在更小的空间内储存更多能量。

据外媒报道，加州大学河滨分校（University of California, Riverside）发表在期刊《Nano Energy》上的一篇新论文解释了这项技术为何有望改变从电动汽车到消费电子产品等各种领域，并代表着储能领域的一次重大飞跃。

图片来源： 期刊《Nano Energy》

这些电池用更安全、更高效的固体材料取代了标准电池中的易燃液体。如今的电池可能需要30到45分钟才能充满80%的电量，而固态电池可以将这个时间缩短到12分钟，在某些情况下甚至只需3分钟。

该研究的主要作者、加州大学河滨分校机械工程教授Cengiz Ozkan表示，其优势源于化学和工程。“通过去除液体，改用稳定的固体材料，我们可以安全地一次性向电池中注入更多电量，而不会出现过热或起火的风险，”他说道。

传统的锂离子电池通过液体来移动锂离子（携带电荷的粒子）。但液体会随着时间的推移而降解，限制充电速度，并带来火灾风险。固态电池使用固体材料，为锂离子的移动提供了更安全、更稳定的环境。这使得充电速度更快、效率更高，安全隐患更少。

这些电池内部的固体被称为固态电解质。该综述重点介绍了三种主要类型：硫化物基、氧化物基和聚合物基。每种类型都有其优势：一些类型允许离子移动更快，另一些类型提供更好的长期稳定性或更易于制造。硫化物基电解质是其中一种突出的类型，其性能几乎与现有电池中的液体电解质一样好，但没有后者的缺点。

研究人员还介绍了科学家目前用来实时观察电池工作的工具。中子成像和高能X射线等技术可以让研究人员观察锂在电池充放电过程中内部的移动方式。这有助于识别锂卡住的区域，或被称为“枝晶”的有害结构开始生长的区域。枝晶是微小的针状结构，可能导致电池短路或故障。

了解这些内部工作原理是制造更优质电池的关键。“这些成像工具就像电池的核磁共振成像仪，”Ozkan说道。“它们让我们能够监测电池的生命体征，并做出更明智的设计选择。”

固态电池也往往能更高效地利用锂。许多设计都采用了锂金属层，与目前电池中使用的石墨层相比，它能在更小的空间内存储更多能量。这意味着固态电池可以更轻、更小，同时仍能为设备供电，甚至更长时间。

传统的锂离子电池通常在电动汽车中使用约5-8年后就会开始出现明显的性能下降，而固态电池则可以保持15-20年甚至更长时间的使用寿命，具体取决于使用情况和环境因素。

“传统的锂离子电池虽然具有革命性，但随着电动汽车、可再生能源电网、便携式电子设备和航空航天系统的普及和要求的提高，其性能和安全性能也正在达到极限，”Ozkan说道。

Ozkan表示，固态电池在未来的星际旅行和太空探索中也可能发挥关键作用。

由于其热稳定性和化学稳定性，这些电池更适合承受外太空的极端温度和辐射条件。它们还能在更小的空间内存储更多电量，这对于精打细算的任务至关重要。而且，由于没有液态电解质，它们在航天器或行星基地等封闭的、有氧控制的环境中会更加可靠。

研究人员撰写这篇综述的目的是指导研究人员和技术人员加速固态系统的开发、可扩展性和实际部署。

但挑战依然存在。大规模生产这些电池仍然困难重重且成本高昂。该论文提供了解决这些问题的路线图，包括开发更好的材料、改进电池部件的相互作用以及改进工厂技术以简化生产。

“固态电池每天都在朝着现实迈进，”Ozkan说道。“我们的综述展示了这项科学研究的进展，以及下一步需要采取哪些措施才能让这些电池投入日常使用。”