QuantumScape是美国知名的固态电池企业，现在专注于氧化物陶瓷隔膜，锂金属负极。这是转载他们官网的一篇博文《
The Problem with Sulfides》，艾邦翻译。如果有表达不妥的地方，还请指出。另外欢迎加入固态电池微信群。
我们经常被问到固态电池材料的基本化学性质。具体来说，您的固体电解质的成分是什么，为什么选择这种材料而不是其他材料？
电解质在所有类型的锂离子电池中都起着直接的作用——它将锂离子从电池的一侧输送到另一侧。在传统的锂离子电池中，这种物质是一种充满整个电池的液体。薄薄的塑料片将电池的两侧分开，锂原子在液体中流动，通过片中的孔，因为它们在充电和放电过程中携带能量。
在固态电池中，液体（电解质）和塑料片（隔膜）被一种材料取代：固体电解质。固体通常比液体更糟糕，无法让锂原子穿过它们，原因与在冰中游泳比在水中游泳更难的原因大致相同。尽管如此，还是有一些固体材料可以让锂“游”过它们。一些最常见的是硫化物。
值得一提的是，在 QuantumScape，我们已经工作了 10 多年，致力于发明和制造最好的电动汽车电池。我们仔细检查了我们能想到的每一种固体材料，进行了超过300万次的实验室测试，特别关注硫化物。虽然起初硫化物似乎具有一些积极的特征，但经过广泛的研究，我们得出结论，硫化物不适合作为隔膜。
那么，我们为什么放弃硫化物基固体隔膜呢？主要有三个原因：
- 硫化物不能防止枝晶的形成，需要外部系统来保持高温和高压，从而增加电池组的重量、体积，最重要的是增加成本。
- 硫化物在用于高性能电池时会发生化学分解。
- 硫化物与湿气接触时会产生有害气体。
问题 1：枝晶
我们认为硫化物不能作为固体隔膜的第一个也是最重要的原因是缺乏证据表明它们可以防止枝晶。树突是纯锂的根状结构，可以从锂金属电池的阳极生长。随着细胞的生长，它们会从内部撕裂细胞。当它们一直到达阴极时，它们会导致电池短路并发生故障。即使在传统的锂离子电池中也会形成树突，这可能导致火灾甚至爆炸。
使用硫化物基隔膜的电池可以尝试解决此问题，有几种折衷方案：
- 使用石墨或硅阳极：使用石墨或硅负极代替锂金属可以防止枝晶，但与传统的锂离子技术相比，它也减少了行驶里程、成本和充电时间的优势，因为锂金属负极是创造改进的原因。其他几家固态公司正在采用这种方法。例如，Solid Power在发布数据显示其电池在没有高温帮助的情况下无法使用纯锂金属负极保持可接受的功率速率几个月后，宣布了一条新的硅负极试验线。三星还公布了使用碳基阳极和银的结果，这成本太高，不切实际。
- 承受巨大压力：如果硫化物基隔膜电池承受巨大压力，它们似乎可以提供可接受的结果。例如，三星在20-40个大气压下测试了其硫化物基隔膜电池，Solid Power报告了在70-90个大气压下的测试，哈佛大学的一个实验室最近公布了硫化物隔膜在750多个大气压下的测试结果 - 海底近五英里的压力足以压碎一艘核潜艇。这种规模的压力在实验室中可能是可能的，但任何超过 10 个大气压的压力在电动汽车电池组中都可能是不切实际的。
- 在高温下工作：锂在高温下更软，使树突不太可能形成。然而，高温需要复杂且昂贵的热管理系统，而保持电池高温会消耗能量并损害电池寿命。
- 低功耗运行：当电池以低功率运行时，不太可能形成树突。然而，限制电池的功率意味着您无法快速充电，这是电动汽车与内燃机汽车有效竞争的关键要求之一。缺乏快速充电是大多数固态电池的致命弱点。
问题 2：不稳定性
硫化物隔膜的另一个问题是化学品本身的不稳定性。例如，即使硫化物可以防止锂枝晶，它们仍然会与锂金属发生反应，用化学垃圾填充阳极，从而限制功率输出并缩短电池的使用寿命。考虑到寿命和动力对驾驶员的重要性，硫化物的不稳定性可能会限制它们对乘用电动汽车的吸引力。
硫化物不仅与纯锂反应;它们还会与阴极中常见的化学物质发生反应，例如高性能电动汽车中使用的富镍电池材料。虽然这个问题可以通过添加其他化学物质来缓解，但如果用力过猛，电池在阳极和阴极侧仍然存在开始退化的风险。
因此，带有硫化物基隔膜的电池非常敏感，必须在性能受到很大限制的情况下运行。这使得它们对电动汽车司机没有吸引力，他们希望更快地充电和加速，而不必担心损坏电池。
问题 3：安全
在某些方面，这是最严重的问题。如上所述，硫化物具有很强的反应性。硫化物与水发生反应的一件事是水，当它们与水或湿气接触时，它们会产生一种称为硫化氢的气体。硫化氢气体具有剧毒、易燃且可能具有爆炸性——它在第一次世界大战中被用作化学武器，多年来在工业事故中杀死了数十名工人。
在制造过程中，让水远离硫化物材料是一项严重、复杂且昂贵的挑战——即使是空气中的少量湿度也会导致致命的硫化氢积聚。制造缺陷或车祸可能导致电池在使用时暴露在水中，从而可能导致火灾或毒害汽车乘员。
固态电池的主要优点之一是有望提高安全性，但使用硫化物基固体隔膜会产生一系列非常严重的风险。
QuantumScape 的优势
与基于硫化物的方法相比，QuantumScape 的无硫化物陶瓷隔膜已被证明可以防止在实际条件下形成枝晶;这篇之前的博文介绍了我们测试电池的条件。我们的隔膜对高性能锂金属阳极稳定，如果接触水，不会产生危险的副产品。
这些优势提高了性能、安全性和可制造性，并最终解释了 QuantumScape 不使用硫化物电解质的原因。尽管十年前我们开始工作时，硫化物看起来很有希望，并且我们对它们进行了彻底的调查，但我们相信硫化物分电解质面临的障碍非常具有挑战性，甚至可能是无法克服的。
原文链接：https://www.quantumscape.com/resources/blog/the-problem-with-sulfides/
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