从微型固态电池扩展到动力电池没那么简单

目前电池界科学家们似乎都在努力将用于电动车的大型固态电池商业化。技术和安全效益的潜力是巨大的，因此对于那些首先在汽车领域真正取得进步的人来说，这将是一大笔收益。

但在电池中使用固态电解质并不是什么新鲜事。例如，有些较小的应用已经将微型固态电池商业化，这些微型固态电池已集成到笔记本电脑的电路板中或其他电子应用中。

然而，传统观点认为，用于制造这些类型的固态电池的工艺无法经济高效地扩展至大型的动力电池。

为了更深入了解原因，Charged最近与Ilika Technologies的产品商业化经理Denis Pasero进行了交谈，该公司研究这一问题已有十多年的历史了。Pasero解释说，这两种不同类型的电池需要两种非常不同的制造工艺。

Ilika成立于2004年，是南安普顿大学化学学院的一个分支机构。从那以后，它发展迅速，2010年在伦敦证券交易所进行了IPO，目前在美国、中国和以色列都有业务。

该公司起初是提供材料发现和优化服务，使用高通量设备为OEM开发新材料和化学品。2008年开始与丰田的合作使Ilika转向了固态电解质的方向，现在该公司专注于固态电池领域。Ilika正在开发两种截然不同的电池：Stereax微型电池用于可植入医疗设备和汽车传感器等应用；新款Goliath电池和软包产品系列是针对电动车市场的。

Charged：跟我说说你们的微型电池吧。

Denis Pasero：这些电池的尺寸仅为毫米或平方厘米。它们是扁平电池，我们正在开发这种电池，以便将其集成到诸如下一代可植入设备中。这些设备需要超小型电池，因为设备本身会进入心脏、肺部、动脉内部。他们需要进行各种传感和测量，且需要安全的电池，这样它才不会在体内爆炸。

这是我们发展的很大一部分，我们为医疗技术以及IoT部门，特别是在工业环境中，如何制造出能量密度高又超小型的电池，这些领域变得越来越自动化和网联化。我们的边缘节点或传感器数量不断增长，它们需要非常小，且你不想定期就更换电池，因此需要一种电池，这种电池使用寿命要很长，并且要很小。

我们正在为各种应用开发这些电池，但尚未将它们完全商业化。我们目前正在销售其他原型电池。例如，在工业物联网领域，位于半导体炉和生长沉积室内的传感设备。当公司用硅芯片制造晶圆时，他们需要进行大量测量。我们的电池可以在最高150°C的高温下工作，因此在这些炉内可以很好地工作。

几周前，我们成功完成了1,500万英镑的股权配售，以进行适当的技术转让并扩大制造工厂。因此，我们有了路线图，现在有了资金，可以批量生产这些电池。

Charged：你是如何开始研究汽车电池的？

Denis Pasero：我们12年前开始与丰田合作，然后我们离开电动车市场约10年，但在那10年中，我们在材料和工艺方面获得了很多专业知识。与此同时，世界也在变化，我们开始了解到，我们的某些固态电池技术也可以用在电动车中。在过去两年中，我们启动了一个开发这些动力电池的项目。目前，我们得到了英国政府资助，与汽车OEM在电池组、热管理系统和电池管理系统领域进行了各种合作项目。在这个特定市场上，对于我们来说还处于初期，但我们的目标是明年提供可评估的电芯。

Charged：你是在尝试将相同的化学配方和制造工艺从微型扩展到更大的电池中，还是在研究一种单独的配方？

Denis Pasero：这是一个很好的问题。这基本上就是我们首先想到的，能否通过使用相同的化学方法和工艺，从毫瓦时扩大到瓦时。而且，从技术上讲，我们可能可以，但价格根本没有吸引力。某些化学配方非常相似，但要达到对电动车市场有吸引力的价格，工艺必须完全不同。微型电池是在半导体型沉积室中沉积的，而电动车的电池则通过更常规的印刷技术和油墨等沉积。

并不是说微型电池更简单，更重要的是使用的设备。半导体行业已经有了可用的设备，这些设备可用于制造硅芯片大小的电池。这就是为什么我们可以以相似的成本基础制造这些电池的原因。但这并不是可以用来制造每天千瓦时电池的设备。他们没有那么大的吞吐量，这是上规模的东西。半导体行业的设备将以低廉的价格制造出小巧的东西，但这不适用于制作大长度的卷绕薄膜。

Charged：你们开发大型固态电池的方法是什么？

Denis Pasero：我们正试图通过使用全新的设备和工艺来避免扰乱非常活跃的锂电池技术，因此我们希望使用许多类似的设备，例如基于墨水的薄膜在基材上的沉积、干燥和层压，等等。我们正在尝试整合锂电池世界中尽可能多的技术，但会有一些差异。当然，主要区别在于电解质不是液态。它甚至不是聚合物或凝胶。我们要生产全固态的陶瓷薄膜。因此，电解质层的沉积和形成，其与正极和负极层的相互作用，确保界面良好，都需要稍微不同类型的设备。

Charged：你是在开发这种固态电解质时考虑到特定的正极和负极配方，还是认为它会根据客户而有所不同？

Denis Pasero：在此阶段，我们正在使用行业中可用的配方。我们没有为此目的而发明新的负极或正极。因此，这与在新工艺中使用当前和未来的材料非常相关。我的意思是说，某种意义上说固态电池可以更有效地使用高镍含量的NMC材料，甚至可能仅使用纯锂镍型材料，实际上比液态电解质要稳定得多。众所周知，液态与这种正极之间的界面不是那么稳定，但是对于固态材料来说可能很稳定。

我们要做的是全固态陶瓷膜。凝胶和聚合物电解质有时也称为固态，因此令人困惑。但用半固态来描述它们更合适。我们根本不使用这些。

陶瓷膜的优势在于，我们相信可以达到比聚合物或凝胶型锂电池更高的能量密度。锂电池已经发展了几十年，能量密度每年都在上升。传统锂电池的能量密度似乎存在理论极限，在某些时候会达到平稳状态。从理论上讲，锂空气、锂金属、锂硫和固态等新技术可以达到500Wh/L。当然，我们还没有到那儿，但有潜力。那就是优势。

困难在于技术层面。你能否确保紧挨着的固态负极、固态电解质、固态正极能够很好地传输锂离子吗？这实际上是一个挑战。你需要使这些层在界面处具有低电阻，因此你要做的是将一层转换为另一层。如果不这样做，你的电池就会变得速度慢，高能量却低功率。这就是挑战，我们正在努力确保界面和层之间的接触良好。

Charged：该界面挑战是否主要涉及化学或制造技术？

Denis Pasero：它是化学和工艺的混合体。通过这一工艺，可以在电池的各个组件之间建立良好的联系。但是在界面处也有一些技巧，例如添加其他化学物质，这也很有帮助。

Charged：你们的大尺寸电池的下一步是什么？近期目标是什么？

Denis Pasero：这项工作的头两年是由英国政府资助的。这使我们能够获得一些alpha原型电芯的基础。下一步是增加能量密度，并开始将电芯包装成软包电池，然后就是电池包。我们确实有合作伙伴渴望评估我们的电池，并寻求更多。但下一步是从alpha电芯到软包电池，然后在电池包阶段开始评估它们。

Charged：你正在寻找什么样的合作伙伴？

Denis Pasero：我们将始终与最终用户，既汽车OEM进行交流，因为他们会告诉我们他们的需求，并且我们会从他们的口中获得规格。我们正在创建一种生态系统，我们将其称为“领导伙伴关系”，这是由那些知道如何设计电池包、如何设计电池管理系统的人构成的，而这在我们的DNA中根本不存在。但我们要做的最后一件事是制作与终端用户无关的电芯，因此与这些人交谈对我们非常有用。

[参考文章]
Scale up micro-solid-state batteries to large EV cells? It's not so simple.