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固态电解质是一种像纸一样薄的材料，位于电池的阳极和阴极之间。图片来源：Frida Gregersen
十年内，从岩石硅酸盐中提取的固态电池有望成为当今锂离子电池的更环保、更高效、更安全的替代品。
丹麦技术大学(Technical University of Denmark，DTU)的研究人员已经为一种由硅酸钾制成的创新超离子材料申请了专利。硅酸钾是一种可从普通岩石中提取的矿物。
目前，电动汽车电池的续航里程和充电速度受到锂离子技术的限制，这也给环境和供应链带来了挑战。锂价格昂贵，对环境有害，而且稀缺，可能会阻碍电动汽车的广泛采用。随着对电动汽车需求的增长，开发新的无锂电池变得至关重要。这些电池必须达到或超过目前的效率水平，同时更加环保和具有成本效益。这一挑战推动了对新型电池材料和设计的研究，这对减少运输部门的碳足迹至关重要。
DTU研究员Mohamad Khoshkalam开发了一种很有前途的下一代电池材料：使用硅酸钾和硅酸钠的固态电池，这是地壳中发现的常见矿物质。这些材料取材于日常岩石，对空气和湿度不敏感，因此可以在电池内部被塑造成超薄层。
专利超离子材料
新获得专利的硅酸钾材料经济、环保、储量丰富，覆盖了地球表面的90%以上。它能在40摄氏度左右有效传导离子，而且防潮。这有助于更安全、更便宜、更可扩展的电池生产，因为它可以在接近室温的开放环境中进行。此外，它消除了对钴等昂贵有害金属的需求，钴是目前锂离子电池中用于提高性能和寿命的金属。
硅酸钾作为固态电解质的潜力早已为人所知，但在我看来，由于钾离子的重量和大小的挑战，它一直被忽视。Mohamad Khoshkalam说，离子很大，因此移动速度较慢。
理解Khoshkalam的发现需要认识到电解质在电池中的重要作用。电解质可以是液体或固体，使离子在阳极和阴极之间移动，在充电和放电期间保持电流。它的导电性取决于离子的迁移率，与锂基电解质相比，岩石硅酸盐的体积更大，传统上离子迁移率较低。然而，Khoshkalams加速了硅酸钾中的离子运动，增强了其导电性。
对电池组件的第一次测量表明，该材料作为固态电解质具有非常好的导电性。“我不能透露我是如何开发这种材料的，因为配方和方法现在已经申请了专利，”Mohamad Khoshkalam继续说道。
未来的电池
固态电池被研究人员和电动汽车制造商视为未来。
最近，丰田宣布计划在2027-2028年之前推出一款使用锂固态电池的汽车。然而，此前的声明都遭遇了挫折。
与传统电池不同，固态电池使用固体电解质，允许离子更快地移动，提高效率并缩短充电时间。电池可以做的像纸板一样薄，阳极、阴极和电解液都有超薄层，从而实现更强大、更紧凑的电池。这可以让“充电10分钟行驶1000公里”成为现实。
此外，固态电池更安全，因为它们没有可燃液体成分。
然而，在固态电池进入市场之前，仍然存在重大挑战。这项技术虽然在实验室取得了成功，但推广起来困难且成本高昂。材料和电池的研究复杂而缓慢，需要先进的实验室和设备。即使在20年后，锂离子电池仍在不断发展。此外，需要新的生产方法来确保电池中的超薄层保持完整。虽然高压技术在实验室里还可行，但将其转化为商用电池是很复杂的。
高风险、高回报的技术
基于硅酸钾和硅酸钠的固态电池具有较低的技术就绪水平(TRL)，表明从实验室发现到市场实施的漫长旅程。
尽管面临挑战，Khoshkalam仍然保持乐观。他说：“我们已经证明，我们可以找到一种廉价、高效、环保、可扩展的固态电解质材料，甚至比固态锂基电解质性能更好。”
Khoshkalam已经为他的发现申请了专利，并正在建立创业公司K-Ion，为电池公司开发这些组件。
在DTU地球计划的支持下，K-Ion旨在加速从实验室研究到社会影响的转变。
下一步是制作一个演示电池，向公司和投资者展示，预计1-2年内会有第一个原型。
作者：Robert Schreiber
（素材来自：Technical University of Denmark 全球储能网、新能源网综合） |
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