美国宇航局固态电池研究超出初始目标，引起人们的兴趣

SABERS活动正在开发一种用于航空应用的固态电池。在这张照片中，美国宇航局的研究人员John Connell和Yi Lin（坐着）正在使用循环伏特计来检查SABERS团队为其固态电池创建的全新阴极的性能水平。Credits: NASA

美国宇航局的研究人员正在开发一种创新的电池组，这种电池组比当今车辆和大型电子产品中常用的电池更轻、更安全、性能更好。

他们的工作 – 美国宇航局对可持续航空承诺的一部分 – 旨在通过研究固态电池在航空应用中的使用来改进电池技术，如电动推进飞机和高级空中机动性。

与行业标准锂离子电池不同，固态电池不含液体，液体可能会导致有害条件，例如过热、火灾和随着时间的推移失去电荷——这些问题对于使用大型电子设备的人来说可能听起来很熟悉。

固态电池不会经历这些有害条件，并且可以容纳更多的能量，并且在压力环境中比标准锂离子电池表现更好。

现在，经过美国宇航局一项名为“增强可充电性和安全性的固态架构电池”（SABERS）活动几年的成功工作，这项研究引起了政府，工业界和学术界的极大兴趣。

SABERS研究人员与几个组织以及NASA航空公司的其他项目合作，继续开发更具弹性的电池。

“SABERS继续超越其目标，”美国宇航局克利夫兰格伦研究中心SABERS首席研究员Rocco Viggiano说。“我们开始接近电池研究的这一新前沿，它可以比锂离子电池做得更多。可能性非常不可思议。

这幅插图描绘了SABERS固态电池中使用的电池内部，该电池主要由硫和硒制成。与锂离子电池不同，这些电池可以堆叠在一起，而无需外壳将它们分开。Credits: NASA

新发展

电池性能是开发更可持续的电动飞机的一个关键方面。这些电池必须有效地储存为飞机提供动力所需的大量能量，同时保持轻量化——这是航空业的一个关键要求。

然而，电池可以存储的能量只是等式的一面。电池还必须以足以为大型电子设备（如电动飞机或无人机）供电的速率释放此能量。

换句话说：电池可以被描述为一个桶。电池的能量（或容量）是桶可以容纳多少，而它的功率是桶可以清空的速度。为了给电动飞机供电，电池必须以极快的速度释放能量或清空桶。

为此，SABERS已经尝试了尚未用于电池的创新新材料，这些材料在放电方面取得了重大进展。在过去的一年里，该团队成功地将电池的放电率提高了10倍，然后又提高了5倍，使研究人员更接近为大型车辆供电的目标。

这些新材料可实现额外的设计更改。

SABERS团队意识到固态架构使他们能够改变电池的结构和包装，以减轻重量并增加可以存储的能量 – 早期类比中电池桶的大小。

SABERS电池中的所有电池单元可以垂直堆叠在一个外壳内，而不是像液体电池那样将每个单独的电池单元放在自己的钢壳内。部分由于这种新颖的设计，SABERS已经证明固态电池可以以每公斤500瓦时的巨大容量为物体供电 – 是电动汽车的两倍。

“这种设计不仅消除了30%至40%的电池重量，它还使我们能够将它可以存储的能量增加一倍甚至三倍，远远超过被认为是最先进的锂离子电池的能力，”Viggiano说。

安全性是在电动飞机上使用电池的另一个关键要求。与液体电池不同，固态电池在发生故障时不会着火，并且在损坏时仍然可以运行，这使得它们在航空中使用很有吸引力。

SABERS研究人员在不同的压力和温度下测试了他们的电池，发现它可以在几乎是锂离子电池两倍的温度下运行，而无需那么多的冷却技术。该团队正在更热的条件下继续对其进行测试。

伙伴关系与未来

今年，SABERS的主要目标是证明电池的特性符合其能量和安全目标，同时也证明它可以在现实条件下以最大功率安全运行。

SABERS与包括佐治亚理工学院，阿贡国家实验室和太平洋西北国家实验室在内的多个合作伙伴合作，以进一步推进这项前沿研究。

例如，与佐治亚理工学院的合作使研究人员能够在他们的工作中利用一些不同的方法，并发现他们如何改进电池的实际使用。

“佐治亚理工学院非常关注细胞在操作过程中如何变化的微观力学。这有助于我们查看电池内部的压力，从而帮助我们进一步改进电池，“Viggiano说。“这也让我们从实际的角度了解如何制造这样的电池，并引导我们进行其他一些改进的设计配置。

SABERS还利用了多个NASA中心和项目的专业知识来实现其目标。

“我们已经就NASA的其他人如何利用我们的工作并可能使用我们的电池进行了大量富有成效的讨论，”Viggiano说。“想到它可能带来什么，这是非常有益的。我们已经看到SABERS从我们一天午餐时的想法发展成为潜在的航空能源解决方案。

SABERS是Convergent Aeronautics Solutions项目的一部分，该项目旨在为NASA研究人员提供他们所需的资源，以确定他们解决航空业一些最大技术挑战的想法是否可行，也许值得NASA内部或行业进一步追求。

约翰·古尔德和戴安娜·菲茨杰拉德

航空研究任务理事会

最后更新： Oct 13， 2022

编辑：莉莲·吉普森