我們經常被問及固態電池材料的基礎化學成分。 具體來說，你們的固體電解質是什麽成分，為什麽選擇這種材料而不是其他材料？
電解質在所有類別的鋰離子電池中都有一個簡單的作用—它將鋰離子從電池的一側傳輸到另一側。在傳統的鋰離子電池中，這種物質是一種填充整個電池的液體。一張薄的塑膠膜將電池的兩側隔開，鋰原子在液體中流動，透過膜上的孔隙，在充電和放電過程中攜帶它們的能量。
在固態電池中，液體（電解質）和塑膠膜（隔膜）被一個單一的材料替代：固體電解質。固體通常不如液體在讓鋰原子透過時表現得好，[1] 幾乎和透過冰水遊泳一樣困難。然而，有一些固體材料可以讓鋰原子「遊」過。其中一些最常見的是硫化物。
值得註意的是，在QuantumScape，已經致力於發明和制造最好的電動汽車電池超過10年。仔細研究了能夠想到的每一種固體材料——進行了超過三百萬次實驗室測試——特別關註硫化物。 盡管起初硫化物似乎有一些積極的特點，[2] 但經過深入調查，我們得出結論，硫化物不適合作為隔膜。
那麽，為什麽我們放棄了基於硫化物的固態隔膜？主要有三個原因：
1. 硫化物不能防止樹枝狀結晶的形成，需要外部系統來維持高溫和高壓，增加電池組的重量、體積，而且最重要的是成本。
2. 在高效能電池中使用時，硫化物會發生化學分解。
3. 當硫化物與濕氣接觸時，會產生有害氣體。
問題1：樹枝狀結晶
我們認為硫化物作為固態隔膜不起作用的第一個也是最重要的原因是沒有證據表明它們能夠防止樹枝狀結晶的形成。樹枝狀結晶是純鋰從鋰金屬電池電芯的負極[4]處生長出來的根狀結構。它們在生長過程中從內部撕裂電池。當它們延伸到正極[5]時，它們會導致電池短路並失效。樹枝狀結晶甚至可以在傳統的鋰離子電池單元中形成，這可能導致火災甚至爆炸。
硫化物基電解質電池存在一些可以嘗試解決這個問題：
1. 使用石墨或矽負極：使用石墨或矽負極[6]而不是鋰金屬可能可以防止樹枝狀結晶，但這也減少了行駛裏程、成本和充電時間的優勢[7]，因為鋰金屬負極是帶來改進的關鍵。幾家其他固態電池公司正在采用這種方法。例如，Solid Power釋出了一條新的矽負極試驗線，幾個月後釋出的數據顯示，其電池無法在沒有高溫幫助的情況下保持可接受的功率水平。三星也釋出了使用碳基負極與銀添加的結果，但這種方法過於昂貴，不太切實際。
2. 承受巨大的壓力：硫化物基隔膜電池在受到巨大的壓力時似乎可以提供可接受的結果。例如，三星在20-40大氣壓下測試了其硫化物基隔膜電池，Solid Power報告稱在70-90大氣壓下進行了測試，哈佛大學的實驗室最近釋出的測試結果顯示硫化物隔膜電池在超過750大氣壓的條件下進行了測試——幾乎相當於海洋深處五英裏下的壓力，足以壓垮核潛艇。在實驗室可能達到這種規模的壓力，但在電動汽車電池組中，超過10大氣壓的任何壓力可能都不切實際。
3. 在高溫下執行：在高溫下，鋰變得更軟[9]，使得樹枝狀結晶更不容易形成[10]。然而，高溫要求復雜且昂貴的熱管理系統，並且保持電池溫暖會消耗能量並損害電池壽命。
4. 低功率執行：當電池以低功率執行時，樹枝狀結晶更不容易形成[11]。然而，限制電池的功率意味著無法快速充電，這是電動汽車要與內燃機車輛有效競爭的關鍵要求之一。缺乏快速充電是大多數固態電池的軟肋。
問題2：不穩定性
硫化物隔膜存在一個問題，即其化學物質本身的不穩定性。舉例而言，盡管硫化物可以防止鋰樹枝的形成[12]，但它們仍然會與鋰金屬發生反應，導致負極堆積化學垃圾[13]，從而限制電池的功率輸出並縮短電池的壽命。考慮到電池的壽命和功率對駕駛者至關重要，硫化物的不穩定性可能會限制其在乘用電動汽車中的吸重力。
硫化物不僅與純鋰發生反應，還與正極中通常存在的化學物質發生反應，比如在高效能電動汽車中使用的富鎳電池材料。雖然透過添加其他化學物質可以減少這個問題[14]，但如果過度推動，電池可能會在負極和正極兩側開始降解。因此，硫化物基隔膜電池非常敏感，必須在很大程度上受到效能限制。這使得它們對電動汽車駕駛者不太具吸重力，後者希望更快地充電和更快地加速，而無需擔心損壞電池。
問題3：安全性
在某些方面，這是一個極為嚴重的問題。正如前文所述，硫化物表現出高度的反應性。硫化物與水的反應尤為突出，當它們與水或濕氣接觸時，會釋放一種名為硫化氫的氣體[15]。硫化氫氣體具有極其有毒和易燃的性質，可能引發爆炸。在第一次世界大戰中，硫化氫曾被用作化學武器，多年來已導致數十名工人在工業事故中喪生。
在制造過程中使硫化物材料遠離水分是一個嚴峻、復雜且昂貴的挑戰——即使空氣中存在微量濕度，也可能導致硫化氫積聚到致命水平。制造缺陷或車禍可能導致電池單元在使用過程中暴露於水分，從而可能引發火災或中毒車輛乘員。
固態電池的一個關鍵優勢在於提高了安全性，但使用基於硫化物的固態隔膜卻帶來了一系列極為嚴重的風險。
QuantumScape的優勢
與基於硫化物的方法相比，QuantumScape的無硫陶瓷隔膜已經在實際條件下證明可以有效防止樹枝狀結晶的形成；之前的網誌文章詳細介紹了我們對電池進行測試的條件。我們的隔膜對高效能鋰金屬負極保持穩定，並且在接觸水時不會產生危險的副產品。
這些優勢顯著提升了效能、安全性和可制造性，這也是為何QuantumScape選擇不使用硫化物隔膜的原因。盡管在我們開始研究的十年前，硫化物似乎是一種有前途的選擇，我們曾對其進行了深入調查，但我們認為硫化物隔膜所面臨的障礙非常具有挑戰性，甚至可能難以克服。
參考文獻：
[1] Battery scientists refer to this concept as 「ionic conductivity.」 The higher the conductivity, the lower the resistance.
[2] The properties that got scientists interested in sulfides were their relatively high ionic conductivity and the ability to process them at lower temperatures.
[3] More precisely, they have a narrow range of voltage stability.
[4] The negative side.
[5] The positive side.
[6] When there is extra material added to the anode to help store the lithium ions and prevent dendrites from forming, this material is called the 「host.」 Batteries with hosted anodes include all legacy lithium-ion batteries and most other solid-state batteries that we are aware of.
[7] This is because the hosted anode takes up space, adds materials and manufacturing costs, and represents a bottleneck in the flow of lithium ions that puts a fundamental limit on charge speed.
[8] This data was disclosed by Solid Power CEO Doug Campbell at an investor presentation held by Key Bank.
[9] Sulfide tests are often reported at temperatures between 60-80 °C.
[10] Elevated temperatures also reduce the internal resistance of the cell, covering up deficiencies in the design of the cell.
[11] Battery researchers call this concept 「current density.」
[12] We have found no evidence that they can.
[13] The technical term is 「electrochemical decomposition by-products.」
[14] Many sulfide-based approaches deal with the poor stability of sulfides by coating the cathode material with less reactive materials. However, such additions can increase the internal resistance of the cell, reducing its power capability.
[15] pS
資料來源：
https://www.quantumscape.com/resources/blog/the-problem-with-sulfides/
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