钠和氢固态电池挑战锂电池

超越锂离子

随着各种交通工具的电气化，从汽车开始，很快还将包括卡车、轮船，甚至飞机，电池存储已成为 键 十年来最伟大的技术。

最初，锂离子技术占据主导地位，这得益于其在小型电子产品制造方面的经验以及锂固有的电学特性。

然而，锂离子技术存在一些可能限制其应用的关键问题：

• 它比其他金属更昂贵、更稀有，可能会限制其在超高密度电池或高端产品中的应用。
• 它往往会形成金属树枝状晶体，从而导致灾难性的故障和电池起火。
• 它在冰冻温度下运行不佳，不适合寒冷气候和寒冷地区的固定储存。

出于这些原因，科学家和电池制造商一直在探索替代化学方法。其中之一就是使用钠，钠是极其丰富且廉价的海盐的成分之一。

钠离子电池即将进入量产阶段，该公司 CATL (300750.SZ) 在该领域处于领先地位。

“这不是钠和锂的问题。我们两者都需要。当我们思考未来的储能解决方案时，我们应该想象同一个超级工厂可以生产基于锂和钠化学的产品。”

孟雪莉– 芝加哥大学工程与军事医学学院分子工程教授。 

尽管如此，锂离子电池和钠离子电池都有望成为迈向更高级电池技术的垫脚石： 固态电池.

固态技术最初专注于锂离子，现在正在向新的方向拓展。例如，我们之前讨论过 基于钠的无阳极固态电池的可能性.

一项新的研究表明，亚稳态钠固体电解质可用于制造固态钠电池，这种电池不仅能量密度更高，而且即使在零度以下的温度下也能保持性能。

这项工作由加州大学、芝加哥大学和台湾科技大学的科学家完成，并发表在《焦耳》杂志上¹ 在标题之下 ”用于厚正极全固态电池的亚稳态钠氢硼酸盐“。

固态电解质的挑战

在“普通”电池中，正极和负极被液体电解质隔开。这种电解质非常有用，但也很重，是故障电池起火的主要原因。

这就是为什么用一层固体材料代替它，不仅能使电池密度更高，而且更安全。然而，如何保持这种固体电解质的稳定，并且在电池充电或放电时不膨胀（导致破裂）一直是一个难题。

钠固体电解质还有一个额外的问题，因为它们表现出有限的室温离子电导率。

另一种选择是使用氢硼酸钠之类的材料，这种材料已知具有非常高的离子电导率。但要做到这一点，需要在电池中大规模维持其亚稳态。

“这种亚稳态结构的氢硼酸钠具有非常高的离子电导率，至少比文献报道的高一个数量级，比前体本身高三到四个数量级。”

孟雪莉– 芝加哥大学工程与军事医学学院分子工程教授。 

稳定钠固态电解质

当用氢硼酸钠生产电池时，材料在冷却时倾向于向稳定结构移动，从而将 NaBH4 与 Na2B12H12 分子分离。

高温下存在亚稳态形式，将两种晶体混合，使钠在电池中移动得更快，从而产生更强的电容量。

来源: 焦耳

当材料处于亚稳态时，晶体会保持其结构，而不是回落到稳定状态。这种快速冷却也称为淬火，是制造业的一种关键方法，尤其是在钢铁和其他金属的冶金学中。

来源: 焦耳

已知的可扩展技术

众所周知，为了稳定化学结构，淬火（快速冷却）通常是一种有效的方法。然而，迄今为止，这在固态电解质中从未得到证实。

事实上，这是一种普遍接受的做法，可以极大地帮助该技术扩展并被电池制造商采用。

“自从这项技术建立以来，我们将来就能够更好地扩大规模。

如果你提出一些新的东西，或者需要改变或建立流程，那么行业将更不愿意接受它。”

山姆哦 – 新加坡A*STAR材料研究与工程研究所.

厚电极和低温

大多数固态设计都试图设计超薄阴极，以最大限度地扩大接触面，并限制不储存能量的“死”材料的数量。

淬火通过创建钠离子可以循环的永久孔隙解决了这个问题。

“将亚稳态与涂有氯化物基固体电解质的 O3 型阴极配对，可以产生厚的、高面积负载的阴极，这使得这种新设计超越了以前的钠电池。”

山姆哦 – 新加坡A*STAR材料研究与工程研究所.

这创造了一个有趣的设计潜力，因为在这种特定情况下，使电极变厚应该会改善电池，而不是使其变得更糟。

“阴极越厚，电池的理论能量密度（特定区域内所容纳的能量）就越高。”

山姆哦 – 新加坡A*STAR材料研究与工程研究所.

在测试阴极时，研究人员发现，其性能在室温甚至冰点以下都能保持稳定——与传统液体电解质锂离子相比，这对于寒冷气候下的运行具有显著优势——尽管更广泛的系统级优势尚未得到证实。

氢作为电荷载体

当讨论与交通运输和绿色能源相关的氢时，我们通常指的是氢（H2）及其在专用发动机或燃料电池中的燃烧或氧化。

但氢在未来也可能成为电池的关键成分，取代锂或钠。在这种情况下，氢化物（H-）将被取代。

由于氢是宇宙中最丰富的元素，这对于一个致力于完全电气化并使用绿色能源和电池的世界来说尤其有用。

中国科学院大学、中国科学技术大学、吉林大学和中华人民共和国国家催化重点实验室的研究人员在权威科学期刊《自然》上发表研究成果。² 固态氢离子电池的概念，标题为“室温可充电全固态氢离子电池“。

氢负离子

电池使用负电荷载体在阳极和阴极之间传输电子。理论上，氢负离子 (H−) 比锂或钠等阳离子更具能量、更易极化、反应性更强。

氢也是最小的原子，这使得它特别轻，这对于交通运输中使用的电池来说是一个关键点。

然而，尽管氢负离子具有这些众所周知的优点，但迄今为止它尚未在电池中使用，因为没有电解质能够提供此类系统所需的快速离子运动、热稳定性和电极兼容性的组合。

结合电导率和稳定性

研究人员合成了一种新型核壳复合氢化物3CeH₃@呸₂，其中薄的 BaH₂ 壳包裹 CeH₃。该结构利用了 CeH 的高氢负离子电导率₃ 以及 BaH 的稳定性₂.

研究人员利用这种壳复合材料作为构建块，创建了 CeH₂|3CeH₃@呸₂|氢铝酸钠₄ 全固态氢负离子原型。NaAlH₄，一种经典的储氢材料，被用作阴极活性成分。

永久去除树突？

除了高能量容量外，氢负离子还有另一个主要优点：与金属阳离子相反，它们不能相互聚集形成树枝状晶体，而树枝状晶体是大多数电池在过多的充放电循环后失效的根本原因，会导致短路和火灾。

因此，这可能是安全、高效和可持续的能源存储方式。

然而，这项技术远不如锂电池甚至钠电池成熟，这种设计的耐用性还需要进步。

目前，研究人员成功在室温下实现了984 mAh/g的高能量密度。但仅经过20次循环，电池容量就下降到402 mAh/g。

固态电池的未来

短期内，采用锂离子技术的电池可能会继续成为绿色能源和电动汽车的基础。

然而，从中期来看，固态电池或钠（以及固态钠）可能会取代锂离子电池的主导地位，特别是如果它们能够以较低的价格提供足够高的能量密度。

固态电池的快速充电也可能成为驾驶员不愿转向电动汽车或商业应用的一个理由。

耐用性和耐寒性也是影响电池性能的一个因素，2030 年代可能会出现多种并行的电池化学反应，其中一些是专门为寒冷气候下的电动汽车设计的电池。

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固体状态 电池公司

量子景观

自 2010 年成立以来，加州 QuantumScape 一直是固态电池领域的一家杰出初创公司，其引人注目之处在于它很早就进入了该领域，并且独立于同样追求固态技术的大型电池制造商，如 CATL（300750.SZ)、三星或 LG Energy Solution（373220.KS).

来源: 量子景观

QuantumScape 电池的一个独特特点是它采用了无阳极设计，在其发布时被认为是革命性的。

它允许约 15 分钟的快速充电（45 ºC 时充电 10-80%），并且隔板不易燃且不可燃。

来源: 量子景观

这也使得 QuantumScape 电池在能量密度和充电速度方面独占鳌头，远远超过特斯拉等领先者（包括其自行设计的电池和 CATL 制造的电池）。

来源: 量子景观

然而，这些令人瞩目的业绩却经常受到产量提升困难的阻碍。这也迫使该公司耗尽了现金储备，导致先前投资者的股权被稀释，股价下跌。

这种情况似乎正在改变，因为 与 PowerCo 达成的 2024 年协议大众汽车集团电池部门与 PowerCo 达成了一项许可协议，由其设计和批量生产 QuantumScape 电池。

根据非独家许可协议，PowerCo 每年可生产高达 40 千兆瓦时的电动汽车电池，并可选择扩大至每年 80 千兆瓦时。

QuantumScape 产量的突然扩大与 该公司下一代固态电池隔膜设备Cobra，陶瓷制造领域的突破。

总体而言，Cobra 应该会在 2025 年投入生产，而第一辆使用 QuantumScape 电池的成品电动汽车应该会在 2026 年生产出来。

来源: 量子景观

这可能是该公司的一个转折点，16 年后，该公司从一家拥有有趣知识产权的有前途的初创公司，转变为通过与世界上最大的汽车制造商之一的合作创造不断增长的收入。

2025年与PowerCo的关系更加紧密, 杜卡迪摩托车使用的固态电池，并且一旦联合扩大规模团队实现某些里程碑，PowerCo 将在未来两年内提供高达 131 亿美元的新付款。

“此次扩大协议清楚地表明了两家公司之间战略、技术和财务方面的协调日益加强。

它反映了我们对 QSE-5 作为电池行业变革平台的共同信心。”

西瓦·西瓦拉姆博士 – Q 首席执行官兼总裁乌纳图姆S海角.

与此同时，投资者仍应预计股价会出现一些波动，但产品开发之路的尽头将出现一丝曙光。

（您还可以在我们的文章中查看美国和国外的其他电池公司

“十大值得投资的电池股“）。

参考研究

^{1. Jin An Sam Oh 等人 用于具有厚阴极的全固态电池的亚稳态钠氢硼酸盐。 焦耳。 102130。2025 年 9 月 16 日。 https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2.崔继荣，等。 室温可充电全固态氢离子电池. 自然. 2025 年 9 月 17 日。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3}