传统的锂离子电池在不断改进，但它们仍存在一些局限性。为了解决这些问题，研究人员正在改变锂离子电池的关键特性，使其成为一种全固体，或称“固态”的版本。他们用一种薄的固体电解质取代中间的液体电解质，这种电解质在电压和温度范围都很稳定。

使用这种固态电解质，就需要使用一个大容量的正极和一个大容量的锂金属负极，这个负极比通常的多孔碳层薄得多。这些变化使整个电池在保持其能量储存能力的同时，有可能大幅缩小体积，从而实现更高的能量密度。这种可能性让许多研究人员争相寻找能够实现这一承诺的材料和设计。

01思考实验室之外的问题

研究人员已经提出了许多看起来很有希望的选择，但是是在实验室里。而艾尔莎·奥莉维提（Elsa Olivetti）（麻省理工学院埃斯特与哈罗德·E·埃哲顿材料科学与工程副教授）和凯文·黄（奥莉维提研究小组的一名科学家）认为，考虑到气候变化挑战的紧迫性，额外的实际考虑可能很重要。

艾尔莎·奥莉维提

根据业界目前使用锂离子电池的经验，加州大学伯克利分校丹尼尔·M·特勒普杰出工程教授葛布兰德·西德尔（Gerbrand Ceder），提出了三个广泛的问题。第一，在这种电池设计下，随着生产规模的扩大，材料可获得性、供应链或价格波动是否会成为一个问题？（请注意，扩大采矿引起的环境和其他问题不在本研究的范围之内。）第二，用这些材料制造电池是否会涉及制造过程中可能失败的困难步骤？第三，确保基于这些材料的高性能产品所需的制造措施最终会降低还是提高电池的生产成本？

02材料和可获得性

在无机固体电解质的世界里，主要有两类物质——氧化物（含氧）和硫化物（含硫）。

奥莉维提、西德尔和凯文·黄考虑的硫化物是LGPS，它由锂、锗、磷和硫组成。基于可获得性的考虑，他们把重点放在了锗上，因为它通常不是独立开采的，它是煤和锌开采过程中产生的副产品。

研究人员经过研究表明，在最近几年锗的产量可能增加100倍。考虑到这种供应潜力，锗的可获得性不太可能会对基于LGPS电解质固态电池的规模扩大产生限制。

研究人员又研究了氧化物LLZO，它由锂、镧、锆和氧组成。镧的提取和加工主要集中在中国，可获得的数据有限，因此研究人员没有分析其可获得性。其他三种元素非常丰富。然而，在实践中，必须加入少量的另一种元素，即掺杂剂，才能使LLZO易于加工。因此，该团队将重点放在了钽上，钽是最常用的掺杂剂之一。

钽是锡和铌开采的副产品。历史数据表明，在锡和铌的开采过程中，钽的产量比锗的产量更接近潜在的最大值。因此，钽的可获得性对基于LLZO的电池规模扩大潜力来说是一个更值得关注的问题。

之后研究人员调查了一个关于关键元素供应链的后续问题——采矿、加工、精炼、运输等等。假设供应充足，供应这些材料的供应链能否迅速扩张，以满足不断增长的电池需求？

在样本分析中，他们研究了锗和钽的供应链每年需要增长多少，才能在2030年为预计的电动汽车提供电池。要仅使用LGPS电池实现这一目标，锗的供应链需要每年增长50%，而过去的最高增长率约为7%。如果仅使用LLZO电池，钽的供应链将需要增长约30%——远高于10%的历史高点。

这些例子表明，在评估不同固体电解质扩大规模的潜力时，考虑材料的可获得性和供应链的扩张是十分重要的。凯文·黄说：“即使现有材料的数量不是问题，比如锗，扩大供应链的所有步骤以匹配未来电动汽车的生产，可能需要一个前所未有的增长速度。”

03材料和加工

在评估电池设计规模扩大的可能性时，另一个需要考虑的因素是制造加工的难度，以及它可能会如何影响成本。

奥莉维提、西德尔和凯文·黄在他们的数据库中探索了在制造加工中的失败率对选定的固态电池设计总体成本的影响。在一个例子中，他们专注于氧化物LLZO。LLZO非常脆，在制造过程中的高温下，用于高性能固态电池的大薄片很可能会开裂或翘曲。

为了确定这些失败对成本的影响，他们模拟了组装基于LLZO电池的四个关键加工步骤。在每个步骤中，他们根据假设的产量计算成本，即成功生产的产品在总产品中的比例。

结果，LLZO电池假设的产量远低于他们的其他设计；随着产量的下降，电池每千瓦时的成本显著上升。例如，当阴极加热过程中失败的电池数量增加5%时，成本就会增加约30美元/千瓦时——考虑到此类电池普遍接受的目标成本为100美元/千瓦时，这是一个不小的成本变化。显然，制造困难会对量产设计的可行性产生深远的影响。

04材料和性能

设计全固体电池的主要挑战之一来自于“接口”——即一个组件与另一个组件的接合处。在制造或操作过程中，这些接口处的材料可能会变得不稳定。

因此，许多研究都致力于提出在不同的电池设计中稳定接口的方法。提出的许多方法确实提高了性能，但实施这样的解决方案通常需要增加材料和时间，这在量产中就增加了电池每千瓦时的成本。

研究人员通过在LLZO电解质和负极之间插入一层薄薄的锡来稳定接口。他们分析了实施该方案对成本的影响。结果发现添加锡隔膜可以增加储能能力，提高性能，从而降低单位成本（以美元/千瓦时计算）。但是锡层的成本超过了节省的成本，所以最终的成本高于原来的成本。

在另一项分析中，他们研究了一种名为LPSCl的硫化物电解质，它由锂、磷、硫和少许氯组成。在这种情况下，正极加入了电解质材料的粒子，这是一种确保锂离子能够通过电解质到达另一个电极的方法。然而，添加的电解质粒子与正极中的其他粒子不相容——这是另一个接口问题。在这种情况下，标准的解决方案是添加“粘合剂”，这是一种使粒子粘在一起的材料。

他们分析后证实，没有粘合剂时基于LPSCl的电池成本超过500美元/千瓦时。添加粘合剂显著提高了性能，成本降低了近300美元/千瓦时。这个例子在制造过程中添加粘合剂的成本非常低，从根本上实现了通过添加粘合剂降低了所有成本。在这里，解决接口问题的方法以较低的成本获得了回报。

研究人员对文献中报道的其他有前景的固态电池进行了类似的研究，结果是一致的：电池材料和工艺的选择不仅会影响实验室近期的结果，还会影响到在满足未来所需规模下制造固态电池的可行性和成本。结果还表明，同时考虑所有三个因素——可获得性、加工难度和电池性能——是很重要的，因为可能涉及到集体效应和权衡。