美国Sakti3电池公司研发新型固态锂离子电池

贾旭平

Sakti3公司成立于2008年，由密西根大学前工程教授Ann Marie Sastry成立。Sakti指梵语的“电力”，3指锂的原子数。Sakti3公司研发的固态锂离子电池的能量密度约为当前锂离子电池的两倍。这种固态电池采用薄膜沉积技术来生产，而薄膜沉积技术是用于生产平板显示器和光伏太阳电池的技术。固态电池内部没有液体电解质，取而代之的是一种“夹层”装置，这种“夹层”既能充当隔膜，阻止正负电极的接触反应；又能充当电解质，保证离子间的正常传输。

对于汽车制造商而言，Sakti3公司研制的电池无疑是一个令人振奋的消息。根据汽车研究公司Edmunds的统计资料显示，电动汽车、混合动力车和插入式混合动力车2014年在新车中的销售份额仅达到3.6%，而这一数字在2013年是3.7%。换句话说，电动汽车的销售在其他销售火热的汽车市场中已稍显停滞。对于电动汽车而言，目前最大的问题就是行驶里程，谁也不愿意面对开到中途汽车没电的状况。这也是为什么Telsa创建者和CEO Elon Musk为什么在2014年9月初宣布要建立投资额为50亿美元的电池工厂，如果电池厂投产成功后，每年可为500 000辆电动汽车提供电池(Tesla计划每年销售35 000辆电动汽车)。Musk投资电池厂的目的也是为了降低电池组的成本，这样就能为具有足够行驶里程的电动汽车创建规模经济。

Musk在传统锂离子电池技术上做了一个大赌注。不过，他的想法也可能是正确的，但是也同样面临着风险。因为其他电池技术有可能比他目前正采用的技术更成功。这就是Sakti3公司的新技术：新型固态电池。Tesla的电池是由松下公司制造的，每千瓦时的成本目前大概是500美元。Frost&Sullivan研究公司能源与电力系统研究经理Vishal Sapru认为Tesla最多能在2020年将电池成本降至每千瓦时250美元。而Sakti3公司宣称其电池成本可达到每千瓦时100美元。

Sakti3公司自成立以来一直致力于技术研究，拥有包括通用汽车公司投资的320万美元在内的3 000万美元的风险投资。根据美国科学人杂志的消息，Sakti3公司联合创始人和首席执行官Ann Marie Sastry称，经过潜心研究，他们设计的固态锂离子电池能量密度达到1 143 Wh/L，这样的电池性能不仅能够大幅提升电动汽车单次充电的行驶里程，还可以帮助降低电动汽车的价格。而且电池具有可扩展性，因此可生产大容量电池。

在电动汽车行业中，“最神圣”的数字就是300英里和100美元。300英里指的是，汽车单次充电后可以行驶的距离，美国人非常看重这一点；100美元指的是，电动汽车电池每千瓦时的成本，只有这样，电动汽车的价格才有可能与燃油汽车竞争。Ann Marie Sastry博士称：“我们的目标是大规模生产100美元/kWh的电池。我们已经发布了关键的专利技术并加快进程继续开发研究。”Sakti3公司还称，他们很快就能将这两个数字变成现实。近几年，这家新兴公司时常成为业内人士议论的主题。但对外界而言，该公司总是半遮半掩，他们会面对媒体，却对自己的技术只有只言片语。如果实现了这一目标，公司将为特斯拉ModelS电动汽车制造60 kWh的电池，售价仅为6 000美元。该公司最初针对消费电子产品市场，如果一切顺利，消费电子之后就是电动汽车电池。公司表示，配备Sakti3电池的ModelS电动汽车行程将从256英里提升到480英里。

对于这样一款高新技术产品我们该持怎样的态度呢？当然这类先进技术对电动汽车的发展有着非常积极的作用，能量密度仿佛电动汽车的“圣杯”一样，起到非常重要的作用，因为现在绝大多数消费者还是不信赖电动汽车的续航能力，高密度电池有助于消除人们的后顾之忧。在一个有限空间内储存的电能越多，车辆能够利用的能量也就越多，道路上的行驶距离自然就越远。

较高的能量密度还有一个好处，就是节约成本。如果电动汽车单次充电行驶里程达到300英里，几乎所有的驾驶者都会满意这样的数据。因此储存相同的能量，高密度电池组无需传统电池那么大的体积，节省了材料，每辆电动汽车成本下降也是理所应当的。无论尺寸是大是小，电池组在加工流程中都有着固定成本，Sakti3公司研发人员正尽全力缩减每千瓦时电池组的成本。

Sakti3公司制造锂电池的固态技术与生产平板显示器和光伏太阳电池的薄膜技术是一样的

Sakti3固态电池利用与生产平板显示器和光伏太阳电池相似的薄膜沉积工艺制造，固态意味着电池中不含有液态电解质，每一层电池材料不仅分成正负两极，还要充当电解液的角色，以实现电子的有向运动。至于分离的电池材料层之间使用的化学物质，现在还属于商业机密。不过有人认为这种化学物质由锂超离子导体（一种含有锂、硫、锗和磷的固态陶瓷材料）制成，它替代当前的液态电解质后不仅能节省空间还能降低质量。自动化的制造工艺在降低成本的同时，还能大大降低因不适当的充电或碰撞造成的化学熔化的可能性。

目前还没有很多关于Sakti3固态锂离子电池的信息，消费者们也不要对该创新产品过于乐观。此新型电池至今还没在实验室之外进行过测试，也没有任何消息显示该产品的能量密度是独立查证的，绝大多数技术细节始终不被人所知。但是可以肯定，Sakti3公司已经引起了通用汽车公司的关注；通用对类似技术研究了很多年，其下风险投资部门确认向Sakti3电池进行了技术投资。然而即便有通用这种大公司的关注和资金扶持，也无法保证固态电池一定能成功。

不过得益于通用的支持，Sakti3公司得到了一个研发创新科技的好机会，Sastry自信地说到，在不同种类电池单元上开展的企业内部测试显示，他们的新产品拥有可靠的高能量密度。得益于太阳电池和平板显示器技术的发展，才激发了Sakti3固态锂离子电池理念；同样参考该新型电池的设计，可以促进很多其他行业的未来发展。

除了价格超低外，Sakti3公司的电池还是目前为止最安全的电池技术，这要归因于其所采用的全固态结构和电池所采用的材料。据Sakti3公司发布的录像显示在进行滥用测试时即使焊料因过热掉入正循环的电池内，电池依然能正常地工作。

到目前为止，公司已在密西根的小型示范生产线上做了小批量生产，并声称会在未来1～2年内实现商业化。固态锂离子电池是否会成为电动汽车能量源的主流配置，现在还不得而知，让我们拭目以待吧。

研发历程

2006年，Sastry和同事开始做一些复杂的数学优化方案，希望弄清楚，对于电动汽车的电池，在能量、电力、质量、容量、成本、安全性能等诸多重要因素中，哪些因素可以在一定程度上做一些让步。他们的计算结果表明，传统锂电池中的液体电解质，以及为了容纳电解质相关的包装都可以舍弃。原因很简单：与汽油不同，锂电池中的电解液会发生二级化学反应，从而使电池电力减弱，甚至使电池溶解或者起火。此外，由于电解液的微妙性质，用在汽车上的锂电池通常需要包裹冷却管、电子控件等，这无疑提高了成本，额外增加了汽车质量。

Sakti3公司使用的是真空沉积法。在真空沉积法中，材料是一层一层地沉积而成——首先是正极，接着是集流体、夹层、负极……将整个操作过程都在真空环境下进行。Sastry说到，尽管在真空环境下操作成本也不算低，但是成本效益却不错。“首先，固态锂电池不需经过‘熟化’过程，一生产出来就可以使用，而现有技术生产的电池，这个过程需要30到60天才能投入使用。“此外，固态电池的产量也很高”，Sastry说。早期，就是因为受制于生产效率，固态电池发展缓慢。“我们刚开始做固态电池时，发现很多文献里都提到了这类电池，但在生产时，相关机构或人员都使用效率低下的生产平台，导致成本总是很高。我们使用了数字模拟技术，一开始就在寻找成本低廉的生产工具，”Sakti3公司使用的是定制化原型生产线。时间越久，Sakti3公司就越能盈利。太阳电池板、平板显示器和其他的固态电子产品生产采用的一些技术，Sakti3也大量地加以利用和研究。“因为这些技术先进，节约成本，并且，与我们的需求也非常吻合，”Sastry说到，“我们将从中受益”。

当然，还要考虑很多其他的因素，比如电池的寿命是多长？电池在报废前，总共能充放电多少次？Sastry说，新型电池的化学反应比传统锂电池简单，因此，它的寿命应该会更长。“我们也希望它有很长的生命周期”。那安全性能怎么样呢？“固态电池去除了电池中最具危险性的部分，”她继续说，“你可以将电池劈成两半，也可以让电池处于高温环境，但电池仍能继续工作。”CJPS

Sakti3固态锂离子结构图