削减碳排放的迫切需要，促使了电气化交通的迅速发展，并扩大了太阳能和风能在电网上的部署。如果这些趋势如预期的那样升级，对更好的储电方法的需求将会加强。
“我们需要所有我们能得到的策略，来解决气候变化的威胁。”艾尔莎·奥莉维提（Elsa Olivetti）博士说。她是麻省理工学院埃斯特与哈罗德·E·埃哲顿材料科学与工程副教授。
“显然，大规模开发基于电网的存储技术至关重要。但对于移动应用，尤其是交通，很多研究都集中在改造目前的锂离子电池，使其更安全、更小，并能根据其体积和重量存储更多能量。”她说。
传统的锂离子电池在不断改进，但它们仍存在一些局限性，部分原因在于其结构。锂离子电池由两个电极组成，一个正极，一个负极，夹在有机（含碳）液体中。当电池充放电时，锂的带电粒子（或离子）通过液体电解质从一个电极传递到另一个电极。
这种设计的一个问题是，在一定的电压和温度下，液体电解质可能变得不稳定并起火。“一般来说，电池在正常使用情况下是安全的，但风险仍然存在。”凯文·黄（Kevin Huang）博士说。他是奥莉维提研究小组的一名科学家。
本项研究的带头人、麻省理工学院副教授艾尔莎·奥莉维提
另一个问题是锂离子电池不适用于汽车。大而重的电池组会占用空间，增加车辆的整体重量，降低燃油效率。但事实证明，要使如今的锂离子电池体积更小、重量更轻，同时又能保持其能量密度（即每克重量所能储存的能量）是很困难的。
为了解决这些问题，研究人员正在改变锂离子电池的关键特性，使其成为一种全固体，或称“固态”的版本。他们用一种薄的固体电解质取代中间的液体电解质，这种电解质在电压和温度范围都很稳定。
使用这种固体电解质，他们使用一个大容量的正极和一个大容量的锂金属负极，这个负极比通常的多孔碳层薄得多。这些变化使整个电池在保持其能量储存能力的同时，有可能大幅缩小体积，从而实现更高的能量密度。
“这些特性——增强的安全性和更高的能量密度——可能是潜在固态电池最常被吹捧的两个优势。”黄说。然后他很快澄清说，“所有这些事情都是预期的、希望的，但不一定会实现。”然而，这种可能性让许多研究人员争相寻找能够实现这一承诺的材料和设计。
思考实验室之外的问题
研究人员已经提出了许多看起来很有希望的有趣选择，但是是在实验室里。而奥莉维提和黄认为，考虑到气候变化挑战的紧迫性，额外的实际考虑可能很重要。奥莉维提说，“我们研究人员在实验室中总是使用一些指标来评估可能的材料和工艺。”
例子可能包括储能容量和充放电速率。在进行她认为既必要又重要的基础研究时，这些指标是适当的。“但如果目标是实际应用，我们建议增加一些指标，专门针对快速扩大规模的潜力。”她说。
根据业界目前使用锂离子电池的经验，麻省理工学院的研究人员和他们的同事，加州大学伯克利分校丹尼尔·M·特勒普杰出工程教授葛布兰德·西德尔（Gerbrand Ceder），提出了三个广泛的问题，可以帮助确定未来扩大规模的潜在限制因素，作为材料选择的结果。
首先，在这种电池设计下，随着生产规模的扩大，材料可获得性、供应链或价格波动是否会成为一个问题？（请注意，扩大采矿引起的环境和其他问题不在本研究的范围之内。）第二，用这些材料制造电池是否会涉及制造过程中可能失败的困难步骤？第三，确保基于这些材料的高性能产品所需的制造措施最终会降低还是提高电池的生产成本？
为了演示他们的方法，奥莉维提、西德尔和黄检查了一些电解液的化学成分和电池的结构，这些都是目前研究人员正在进行研究的材料。为了选择他们的例子，他们转向了之前的工作，他们与合作者使用文本和数据挖掘技术，来收集资料和文献中报道的处理细节的信息。从该数据库中，他们选择了一些经常报告的选项，这些选项代表了一系列可能性。
材料和可获得性
在无机固体电解质的世界里，主要有两类物质——氧化物（含氧）和硫化物（含硫）。奥莉维提、西德尔和黄在每堂课上都专注于一种有前景的电解质，并研究了每一种电解质关注的关键因素。
他们考虑的硫化物是LGPS，它由锂、锗、磷和硫组成。基于可获得性的考虑，他们把重点放在了锗上，这种元素引起了人们的关注，部分原因是它通常不是独立开采的，它是煤和锌开采过程中产生的副产品。
为了调查锗的可获得性，研究人员研究了过去60年里，在煤和锌开采期间，每年实际生产了多少锗，以及原本可以生产多少。结果表明，即使是在最近几年，锗的产量可能增加100倍。考虑到这种供应潜力，锗的可获得性不太可能会对基于LGPS电解质固态电池的规模扩大产生限制。
研究人员选择了由锂、镧、锆和氧组成的氧化物LLZO，这种情况下看起来不太乐观。镧的提取和加工主要集中在中国，可获得的数据有限，因此研究人员没有试图分析其可获得性。其他三种元素非常丰富。然而，在实践中，必须加入少量的另一种元素，即掺杂剂，才能使LLZO易于加工。因此，该团队将重点放在了钽，最常用的掺杂剂，作为LLZO的主要关注点。
钽是锡和铌开采的副产品。历史数据表明，在锡和铌的开采过程中，钽的产量比锗的产量更接近潜在的最大值。因此，钽的可获得性对基于LLZO的电池规模扩大潜力来说是一个更值得关注的问题。
但是，知道一种元素在地下的可获得性并不能解决把它送到制造商那里所需的步骤。因此，研究人员调查了一个关于关键元素供应链的后续问题——采矿、加工、精炼、运输等等。假设供应充足，供应这些材料的供应链能否迅速扩张，以满足不断增长的电池需求？
在样本分析中，他们研究了锗和钽的供应链每年需要增长多少，才能在2030年为预计的电动汽车车队提供电池。举个例子，经常被引用为2030年目标的电动汽车车队需要生产足够的电池，以提供总计100千兆瓦时的能源。要仅使用LGPS电池实现这一目标，锗的供应链需要每年增长50%，而过去的最高增长率约为7%。如果仅使用LLZO电池，钽的供应链将需要增长约30%——远高于10%的历史高点。
这些例子表明，在评估不同固体电解质扩大规模的潜力时，考虑材料的可获得性和供应链的扩张是十分重要的。黄说：“即使现有材料的数量不是问题，比如锗，扩大供应链的所有步骤以匹配未来电动汽车的生产，可能需要一个前所未有的增长速度。”
材料和加工
在评估电池设计规模扩大的可能性时，另一个需要考虑的因素是制造加工的难度，以及它可能会如何影响成本。制造固态电池不可避免地涉及许多步骤，任何步骤的失败都会增加成功制造的每一个电池的成本。正如黄解释的那样，“你不会运送那些失败的电池，你要把它们扔掉。但你仍然要在材料、时间和加工上花钱。”
作为制造难度的一个代理，奥莉维提、西德尔和黄在他们的数据库中探索了失败率对选定的固态电池设计总体成本的影响。在一个例子中，他们专注于氧化物LLZO。LLZO非常脆，在制造过程中涉及的高温下，用于高性能固态电池的大薄片很可能会开裂或翘曲。
为了确定这些失败对成本的影响，他们模拟了组装基于LLZO电池的四个关键加工步骤。在每个步骤中，他们根据假设的产量计算成本，即成功处理而没有失败的产品在总产品中的比例。
LLZO电池的产量远低于他们检查的其他设计；随着产量的下降，电池每千瓦时的成本显著上升。例如，当阴极加热过程中失败的电池数量增加5%时，成本就会增加约30美元/千瓦时——考虑到此类电池普遍接受的目标成本为100美元/千瓦时，这是一个不小的成本变化。显然，制造困难会对量产设计的可行性产生深远的影响。
材料和性能
设计全固体电池的主要挑战之一来自于“接口”——即一个组件与另一个组件的接合处。在制造或操作过程中，这些接口处的材料可能会变得不稳定。“原子开始向不该去的地方移动，电池性能下降。”黄说。
因此，许多研究都致力于提出在不同的电池设计中稳定接口的方法。提出的许多方法确实提高了性能；因此，电池每千瓦时的成本就降低了。但实施这样的解决方案通常需要增加材料和时间，在量产中增加每千瓦时的成本。
为了说明这种权衡，研究人员首先检测了它们的氧化物LLZO。在这里，目标是通过在LLZO电解质和负极之间插入一层薄薄的锡来稳定接口。他们分析了实施该解决方案对成本的正面和负面影响。他们发现，添加锡隔膜可以增加储能能力，提高性能，从而降低单位成本（以美元/千瓦时计算）。但是锡层的成本超过了节省的成本，所以最终的成本高于原来的成本。
在另一项分析中，他们研究了一种名为LPSCl的硫化物电解质，它由锂、磷、硫和少许氯组成。在这种情况下，正极加入了电解质材料的粒子，这是一种确保锂离子能够通过电解质到达另一个电极的方法。然而，添加的电解质粒子与正极中的其他粒子不相容——这是另一个接口问题。在这种情况下，标准的解决方案是添加“粘合剂”，这是另一种材料，使粒子粘在一起。
他们的分析证实，没有粘合剂时性能很差，基于LPSCl的电池成本超过500美元/千瓦时。添加粘合剂显著提高了性能，成本降低了近300美元/千瓦时。在这个例子中，在制造过程中添加粘合剂的成本非常低，从根本上实现了通过添加粘合剂降低了所有成本。在这里，解决接口问题的方法以较低的成本获得了回报。
研究人员对文献中报道的其他有前景的固态电池进行了类似的研究，结果是一致的：电池材料和工艺的选择不仅会影响实验室近期的结果，还会影响到在满足未来所需规模下制造固态电池的可行性和成本。结果还表明，同时考虑所有三个因素——可获得性、加工难度和电池性能——是很重要的，因为可能涉及到集体效应和权衡。
奥莉维提对该团队的方法所能探究的问题范围感到自豪。但她强调，这并不意味着要取代在实验室中指导材料和加工选择的传统指标。“相反，它是为了补充这些指标，同时也广泛关注可能阻碍扩大规模的各种因素”——考虑到清洁能源和气候变化的“紧迫时钟”，这是一个重要的考虑。
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