揭秘：能量密度达500Wh/kg的NASA固态电池有哪些独特之处？

近日，美国航空航天局（NASA）公布了其研发的固态电池新成果，NASA官网介绍，该电池能量密度达到了500Wh/kg，是当下最好的动力电池能量密度的两倍，而且比普遍用于电动汽车的电池更轻便、更安全。

NASA的固态电池研究始于2021年4月，当时NASA宣布其改进固态电池充电效率和安全性项目（Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety，“SABERS”）部门将为电动飞机研发固态电池。SABERS在克利夫兰的格伦研究中心开展研究，并与佐治亚理工学院、阿贡国家实验室和太平洋西北国家实验室的研究人员展开合作。SABERS的首席研究员罗科·维吉亚诺说表示，“我们开始接近这个电池研究的新前沿，相比锂离子电池，固态电池有更多的东西可以去做。”NASA的融合航空解决方案项目支持SABERS研究人员对固态电池进行调研及持续开发。

1、运用新材料

NASA介绍说，电池就像水桶，其容量是桶的容量，而它的功率是桶的排空速度。如果为一架电动飞机提供动力，电池必须以极快的速度释放能量。为了提升电池性能，SABERS研究人员在电池材料上进行了创新。

NASA固态电池结构设计图

（图片来源：NASA）

据了解，NASA的固态电池为硫硒电池，SABERS设计的电池由锂金属阳极、SE和硫/硒（S/Se）阴极组成。电池还利用了NASA此前研发的“多孔石墨烯”材料，S/Se阴极集成了NASA开发的“多孔石墨烯”和S/Se粒子。据研究人员介绍，多孔石墨烯活性物质含量高达90wt%，也有高面积容量，生产过程比较简单，一步完成，无需混合，广泛适用于S、Se、SexSy、Li₂S等材料体系的固态电池。添加多孔石墨烯后电池的初始放电容量显著提高，多孔石墨烯在材料表面结合了孔洞，从而减轻了电池重量并提高了导电性。此外，该电池还有超高质量负荷（>10mg/cm²）的特点。

2、采用新的结构及包装设计

除了新材料的创新，SABERS团队还采用了新的电池结构及包装设计，这使得电池的本身的重量得以减轻，并增加能够储存的能量。与将单独包装的电池连接起来的普通电池不同的是，SABERS的电池是将所有的电池垂直地堆放在一个外壳内。通过这种设计，SABERS已经证明了固态电池的能量密度可达500Wh/kg，是现代电动汽车电池的两倍多。目前，特斯拉4680电池的单体能量密度约300Wh/kg，电池组能量密度为217Wh/kg。宁德时代发布的第三代CTP麒麟电池，能量密度为255Wh/kg。

SABERS的研究人员表示，“这种设计不仅减少了30%至40%的电池重量，而且还使我们能够将它所能储存的能量增加一倍甚至两倍，远远超过了目前最先进的锂离子电池的能力。”

未来的电动飞机设计

（图片来源：NASA）

固态电池在发生故障时不会起火，并且在损坏时仍能运行，这使它们在航空领域的使用具有吸引力。SABERS的研究人员已经在不同的压力和温度下测试了他们的电池，并发现它可以在几乎是锂离子电池两倍的温度下运行，而不需要那么多冷却技术。该团队正在继续在更高的温度和压力下进行测试，推动技术的极限。

总体来看，相比传统锂电池而言，NASA的固态电池具有体积更小、能量密度更高、重量更轻、承受高温能力更强，以及在受到冲击之后仍可以继续使用等特点。

针对NASA固态电池公布的材料，国内一些业内人士认为，NASA的固态电池有创新点，在固态电池的研发过程中，有些机构的实验室样品参数也很亮丽，这些样品的关键在产业化过程，产业化不仅要考虑固态电池本身的性能，还要考虑成本，以及实现工艺的难易程度。

参考来源：全球储能网、智通财经、中国汽车报网、IT之家

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