第78章 固态晶格能量电池〔5000字〕（1 / 1）
嘉宁市。
元界智控总部研发实验室。
陆安回到公司便着手在公司内部物色人员，组建一个电池研发团队，推进解决武装机器人的电池技术。
现在市面上的主流锂电池，其能量密度大致在125至150wh/kg之间。
武装机器人是耗能大户，这点电池能量密度根本就是杯水车薪。
目前用在武装机器人身上的电池，采用的就是市面上的主流商用锂电池，能量密度在130wh/kg左右。
电池85公斤的重量，充满电也就在10.5度电左右。
武装机器人全功率运行，一小时就得消耗5度左右的电量，10度电也就只有2小时的续航时长。
想让武装机器人具备实战基础，续航时长至少要提高十倍以上。
短时间内，现在的那些电池厂商是肯定做不到的。
不过对于陆安来说是轻松拿捏，超高能量密度电池暂时不搞，先拿出一个高能量密度电池方案来。
回到公司后，陆安就快速新建文件夹：
【拓普离子晶格-液态金属复合固态电池，简称“固态晶格能量电池”】
这种电池是利用具有特殊拓扑结构的固态离子导体作为骨架和电解质，结合室温液态金属负极和新型高容量正极材料，实现高能量密度、快速充放电，同时兼具优异的安全性。
固态晶格能量电池的能量密度是当前顶级锂电池的8到20倍以上。
陆安打算给第一代固态晶格能量电池定在2500至3000wh/kg峰值，但这还不是该电池的峰值极限，其理论值上限是可以达到6000至7500wh/kg之间。
能量密度是衡量电池性能的关键指标，表示单位质量或体积的电池所能储存的能量。
而2500-3000 wh/kg的能量密度，意味着每千克电池可以储存2500-3000瓦时的电能，相当于当下还没走出实验室的顶级锂电池的8至20倍水平。
陆安设计的固态晶格能量电池，其负极材料为“室温液态金属合金”，采用镓-铟-锡合金的改良变体，掺杂少量元素锌、铋以优化性能，在室温下保持液态。
液态金属的流动性从根本上消除了枝晶生长的可能性，解决了固态电池最大的安全隐患。
在充放电过程中，液态金属可以自由流动，完美适应体积变化，尤其是在与高容量正极材料配对时，不会产生应力导致结构破坏。
液态金属与固态电解质之间可以形成几乎完美的自适应接触界面，显著降低界面阻抗。
充放电时，液态金属中的活性金属失去电子形成阳离子，通过固态电解质迁移到正极侧参与反应。
放电时，阳离子返回液态金属并重新获得电子沉积回液态合金中。
由于是合金，沉积/溶解过程发生在整个液态体相中，避免了局部浓度极化。
室温液态金属合金的优势是安全性极高、体积变化适应性极佳、界面阻抗低、理论容量高。
该电池的正极材料采用拓扑离子导体兼容型复合物，该材料能进行多电子氧化还原反应，提供高比容量。
具有纳米级孔道的拓扑离子导体材料，不仅作为电子/离子混合导体，其特殊的孔道结构能精确容纳和引导从电解质迁移过来的阳离子，确保它们高效地嵌入/脱嵌到活性材料晶格中，同时约束活性物质的溶解流失。
在复合物中引入少量元素硫或有机硫化物，利用其极高的理论容量，通过拓扑骨架的物理和化学约束作用，有效抑制多硫化物穿梭效应。
充放电时，阳离子通过固态电解质和正极内部的拓扑离子通道，嵌入/脱嵌到氟代聚阴离子化合物的晶格中，伴随多电子转移反应，拓扑骨架提供高速离子/电子通路，并稳定活性物质结构。
该电池的固态电解质，陆安采用了“应力/应变自适应的三维拓扑离子晶格”，这是核心技术。
其基础材料是基于稀土元素氧化物的特殊超离子导体，该材料在原子/分子尺度上具有类似“手性螺旋通道”的非平凡拓扑结构。
这种结构拓扑通道为离子提供了极低势垒的迁移路径，即使在室温下也能实现接近液态电解质的离子电导率。
拥有完美的电子绝缘性，防止内部短路。
拓扑通道的尺寸和化学环境经过陆安的精确设计，实现只允许特定大小和电荷的阳离子高效通过，阻挡其他离子和电子。
固态晶格能量电池的整体结构，负极集流体具有微通道结构的惰性导电材料用于容纳和引导液态金属流动，并提供电子通路；复合正极层由高容量多电子反应活性材料、拓扑离子导体骨架/包覆层和导电添加剂混合压制而成。
液态金属负极浸润在负极集流体的孔隙通道中，固态电解质层是致密、超薄的拓扑离子导体隔膜。
固态晶格能量电池制造工艺则是另一大核心科技。
其一是拓扑离子导体的合成，陆安的解决方案是分子级拓扑结构引导外延沉积。
具体上，可以使用超高真空、超精密控制的分子束外延，在特定纳米图案如手性螺旋、分形结构的点阵列模板进行沉积。
沉积过程中，需要精确调控能量束流，可用离子束或激光干涉，诱导沉积材料中的物质按照预设的拓扑构型进行排列和键合。
最终形成具有宏观尺寸、完美三维拓扑离子通道网络的单晶或多晶薄膜，模板可在后续步骤中温和去除或转化为材料的一部分。
电池的复合正极制备是将氟代聚阴离子前驱体、硫源、拓扑离子导体粉末、导电剂按精确比例混合。
在特定气氛下进行拓扑结构引导烧结/热处理，该过程利用tic粉末自身的拓扑特性，引导活性物质在其表面或孔道内结晶生长，形成紧密结合的复合结构，最后压制成型。
而负极集流体的处理则是对多孔集流体进行表面改性，以增强对液态金属的润湿性和稳定性。
固态晶格能量电池的组装也是高技术活儿，需要在严格的无水无氧环境中进行，依次迭放：正极集流体、复合正极层、 tic固态电解质隔膜、注入液态金属合金、负极集流体。
然后施加温和的压力确保各层紧密接触，最后封装在刚性的金属外壳或柔性复合材料中，封装设计也需考虑液态金属的流动性和可能的体积微小变化。
毫不夸张的说，陆安把固态晶格能量电池搞出来，这一整套流程体系，可以诞生上百篇顶级学术论文。
不过陆安是个务实派选手，没那个闲工夫去搞学术论文，他也不可能对固态晶格能量电池的关键技术申请专利保护，因为申请专利需要公布技术细节。
比如电池的复合正极制备按精确比例混合，这只有陆安知道。
不知道其中的比例，那就造不出来，或者达不到预期效果，只要陆安不公布，别人除非运气逆天能蒙对。
真有人能靠蒙搞出来，陆安也服气地送出“算你厉害”四个字。
但即便这个技术点蒙对了，也只是打通了一个关卡而已，还有其他一系列核心“黑科技”都要搞定，才能制作出完整的固态晶格能量电池。
显然，真正具备高垄断壁垒的技术，去申请专利才是傻子操作。
超高的技术垄断壁垒就是对技术最好的保护。
没有我，你就是搞不定。
没有我，你就是玩不转。
毫无疑问，陆安推动开发的固态晶格能量电池放在当代，在电池领域是具有划时代意义的革命性产品。
它的优势很多，高能量密度、超快充电能力、高安全性。
固态电解质不易燃、不漏液；液态负极无枝晶；结构自适应无界面失效风险；以及长循环寿命。
电池的自适应结构能有效缓解体积变化应力，正极材料被拓扑骨架稳定，液态负极无粉化。
还具备宽温域工作优势，固态电解质和液态金属能在宽温度范围内稳定。
此外，在设计上也具备灵活性，可设计成各种形状，这得益于固态和液态金属的自适应特性。
不过固态晶格能量电池也不是一点劣势都没有。
首当其冲的就是制造成本高，mtged工艺极其复杂、耗时、耗能，需要昂贵的设备和环境控制。
材料成本也高。
镓、铟等诸多特定稀土元素、精密制造的拓扑材料成本高昂。
不过好在稀土材料这玩意儿，国内的供应没有问题，也不用担心会被人卡稀土材料的脖子，反而能用稀土这张王牌卡别人的脖子。
液态金属控制尽管有集流体约束，但在极端物理冲击下，也可能发生较大位移导致局部短路或失效，需要精密的电池管理系统监测和控制液态金属的分布。
需要确保液态金属合金、拓扑电解质、正极材料之间在长期循环和极端条件下的化学兼容性。这就要求非常薄的、人工设计的钝化界面层。
除了成本高昂以外，大规模生产难度也不小，mtged工艺的吞吐量是不小的挑战。
可以确定的是，固态晶格能量电池在初期仅用于航空航天、顶级军事装备或部分奢侈品领域。
还有一个劣势就是回收困难，其复杂的材料组成和结构，使得回收再利用工艺异常困难，不具备回收再利用价值，基本上是直接报废处理。
固态晶格能量电池一旦实现商业化，将会对一系列需要用电的设备迎来质的飞跃。
在交通运输领域，目前电动汽车的续航里程是制约其普及的重要因素之一，第一代固态晶格能量电池能达到2500至3000 wh/kg的能量密度，若电动汽车使用该电池，续航将轻松突破5000公里，充电如加油般快捷，彻底解决里程焦虑，无惧严寒酷暑和燃烧爆炸。
在航空航天领域，电池的能量密度至关重要，高能量密度电池可以使无人机、电动飞机等飞行器的续航时间、飞行距离大幅增加。
例如，电动飞机可以实现更长距离的飞行，甚至有望实现跨洋电动飞行。此外，无人机的续航能力也将大幅提升，使其在物流、测绘、农业等领域更具应用价值。
在深空探测、轨道卫星的能源支持上也能大放异彩。
在消费电子领域也会引领诸多便携设备革命性飞跃，如智能手机、智能平板、笔记本电脑等便携移动设备的电池续航一直是用户关注的焦点。
如果采用2500至3000 wh/kg的固态晶格能量电池，设备的续航时间将成倍延长。
当下市面上的智能手机旗舰机的电池容量约为4000mah，能量密度为200 wh/kg。如果搭载了固态晶格能量电池，能量密度提升到2500至3000wh/kg，手机以最耗电的方式使用也能连续使用数天甚至以周计算。
可穿戴设备的续航能力也能大幅飙升，这些设备通常对电池体积和重量有严格限制，固态晶格能量电池可以在不增加设备体积重量的情况下，提供更长的使用时间。
在军事与特种应用领域，固态晶格能量电池可以为军用无人机、单兵装备、无人车辆等提供更强大的动力支持。
军用无人机的续航时间和作战半径将大幅增加，单兵装备的电池续航能力大幅提升，可以减少士兵的后勤负担。
对于深海探测设备和水下无人潜航器，固态晶格能量电池可以提供更长的续航时间和更深的潜航深度，这将有助于提高深海科学研究和军事应用的效率。
也包括激光武器也能大放异彩，部署高机动性的激光武器将不再是理论层面的东西，比如将激光武器搭载在车辆等移动载具上，具备更强的隐蔽性和高机动性。
陆安搞固态晶格能量电池就是为了解决军工装备的续航问题，解决自家公司搞的武装人形机器人的续航。
但把这个科技树点亮，那可是能够在一系列跨领域的设备迎来史诗级大升级，影响的就不是一个两个行业。
如果固态晶格能量电池能够实现商业化，得到广泛应用，将极大的提升电动汽车、航空航天、消费电子设备等的性能和续航能力，推动这些关联行业的快速发展。
也会创造大量的就业机会，并促进相关产业链的升级和转型。
例如，电动汽车的普及将带动电池制造、充电桩建设、智能电网等相关产业的发展。
在储能系统、军事与特种应用等领域也发挥极为重要的作用。
不过眼下短时间内，要实现大规模商用普及还为时尚早，因为固态晶格能量电池的成本很高，民用产品还承受不起这个价格。
陆安也没打算太快推进民用普及，因为元界智控现在的体量还没有成长起来。
等体量成长到了陆安觉得可以的时候，就会推动固态晶格能量电池成本大幅下降，目前拿出来的这套技术方案，其实就是有意抬高了成本，使其先在军事领域得到应用。
不过，只要固态晶格能量电池造出来了，肯定也会在民间少部分使用，成为奢侈品。
比如一些有钱人不在乎价钱的，愿意出高价私人定制固态晶格能量电池用在自己的手机、笔记本电脑身上，也包括部分私人豪华电动汽车会高价定制固态晶格能量电池。
特斯拉电动汽车model-s的电池重量达到了588公斤，充满电85度。
如果采用陆安设计开发的固态晶格能量电池，以3000wh/kg能量密度为标准，电池重量若是按照588公斤计算，充满电将会达到不可思议的1765度电，是model-s现用电池的20倍有余。
而如果是只要求达到85度电，那么电池的重量能直降到仅有28公斤左右。
目前元界智控开发的武装机器人所搭载的电池，满电量是10.5度电，重量达到了85千克。
若换成固态晶格能量电池，能量密度是3000wh/kg，电池重量就只需要3.5千克左右即可以储能10.5度电。
若电池重量达到85千克，那么充满电后的储能可以达到255度电。
由此可以得出，武装机器人的续航时间能够从原本的2小时扩大到48.5小时，也就是足足2天的续航时间。
如果武装机器人再额外负重两块备用电池组，那么续航时长能够延长到6天。
显然，这怎么都够用了。
换句话说，完全可以腾出更多的负重，带一块备用电池就行，那就可以腾出85千克的负重，多出来的负重可以搭载更多装备弹药提供更凶猛火力。
如果只是打闪电战，一块备用电池都不需要携带，极大的提高负重容错率，意味着可以根据战场需要灵活部署调整。
固态晶格能量电池的整套技术方案都在陆安的脑子里成型，不过他没有一股脑的全搞出来，而是计划用三到六个月左右的时间把完整的技术方案推到100%进度。
要是一下子全解决了，直接整套方案搞出来也过于变态，其实小半年时间就搞定，也很变态。
搁在别的技术团队，给他们十年甚至二十年时间都未必搞得出来。
在接下来的日子，陆安一点一点的把固态晶格能量电池的技术像拼图一样把技术方案逐步完善，进度也是稳稳地控制着。
……
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