揭秘：能量密度達500Wh/kg的NASA固態電池有哪些獨特之處？

近日，美國航空航天局（NASA）公布了其研發的固態電池新成果，NASA官網介紹，該電池能量密度達到了500Wh/kg，是當下最好的動力電池能量密度的兩倍，而且比普遍用于電動汽車的電池更輕便、更安全。

NASA的固態電池研究始于2021年4月，當時NASA宣布其改進固態電池充電效率和安全性項目（Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety，“SABERS”）部門將為電動飛機研發固態電池。SABERS在克利夫蘭的格倫研究中心開展研究，并與佐治亞理工學院、阿貢國家實驗室和太平洋西北國家實驗室的研究人員展開合作。SABERS的首席研究員羅科·維吉亞諾說表示，“我們開始接近這個電池研究的新前沿，相比鋰離子電池，固態電池有更多的東西可以去做。”NASA的融合航空解決方案項目支持SABERS研究人員對固態電池進行調研及持續開發。

1、運用新材料

NASA介紹說，電池就像水桶，其容量是桶的容量，而它的功率是桶的排空速度。如果為一架電動飛機提供動力，電池必須以極快的速度釋放能量。為了提升電池性能，SABERS研究人員在電池材料上進行了創新。

NASA固態電池結構設計圖

（圖片來源：NASA）

據了解，NASA的固態電池為硫硒電池，SABERS設計的電池由鋰金屬陽極、SE和硫/硒（S/Se）陰極組成。電池還利用了NASA此前研發的“多孔石墨烯”材料，S/Se陰極集成了NASA開發的“多孔石墨烯”和S/Se粒子。據研究人員介紹，多孔石墨烯活性物質含量高達90wt%，也有高面積容量，生產過程比較簡單，一步完成，無需混合，廣泛適用于S、Se、SexSy、Li₂S等材料體系的固態電池。添加多孔石墨烯后電池的初始放電容量顯著提高，多孔石墨烯在材料表面結合了孔洞，從而減輕了電池重量并提高了導電性。此外，該電池還有超高質量負荷（>10mg/cm²）的特點。

2、采用新的結構及包裝設計

除了新材料的創新，SABERS團隊還采用了新的電池結構及包裝設計，這使得電池的本身的重量得以減輕，并增加能夠儲存的能量。與將單獨包裝的電池連接起來的普通電池不同的是，SABERS的電池是將所有的電池垂直地堆放在一個外殼內。通過這種設計，SABERS已經證明了固態電池的能量密度可達500Wh/kg，是現代電動汽車電池的兩倍多。目前，特斯拉4680電池的單體能量密度約300Wh/kg，電池組能量密度為217Wh/kg。寧德時代發布的第三代CTP麒麟電池，能量密度為255Wh/kg。

SABERS的研究人員表示，“這種設計不僅減少了30%至40%的電池重量，而且還使我們能夠將它所能儲存的能量增加一倍甚至兩倍，遠遠超過了目前最先進的鋰離子電池的能力。”

未來的電動飛機設計

（圖片來源：NASA）

固態電池在發生故障時不會起火，并且在損壞時仍能運行，這使它們在航空領域的使用具有吸引力。SABERS的研究人員已經在不同的壓力和溫度下測試了他們的電池，并發現它可以在幾乎是鋰離子電池兩倍的溫度下運行，而不需要那么多冷卻技術。該團隊正在繼續在更高的溫度和壓力下進行測試，推動技術的極限。

總體來看，相比傳統鋰電池而言，NASA的固態電池具有體積更小、能量密度更高、重量更輕、承受高溫能力更強，以及在受到沖擊之后仍可以繼續使用等特點。

針對NASA固態電池公布的材料，國內一些業內人士認為，NASA的固態電池有創新點，在固態電池的研發過程中，有些機構的實驗室樣品參數也很亮麗，這些樣品的關鍵在產業化過程，產業化不僅要考慮固態電池本身的性能，還要考慮成本，以及實現工藝的難易程度。

參考來源：全球儲能網、智通財經、中國汽車報網、IT之家

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