解析新能源動(dòng)力電池的創(chuàng)新競(jìng)賽到哪一步

很難想象如果生活中沒(méi)有了電池會(huì)是什么樣子。且不說(shuō)滿大街送外賣的快遞小哥要急紅了眼，大多數(shù)已經(jīng)患上“電子產(chǎn)品重度依賴晚癌”的現(xiàn)代人顯然無(wú)法適應(yīng)沒(méi)有了愛瘋、PSP的日子;放眼望去，滿大街溜溜跑的純電動(dòng)汽車失去了用武之地，由一塊小小的電池建構(gòu)起的現(xiàn)代生活似乎瞬間分崩離析...

只要經(jīng)常各地飛的朋友們不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)場(chǎng)里除了咖啡館和各種餐館常常人滿為患，大家候機(jī)時(shí)最喜歡待得地方，莫過(guò)于各個(gè)登機(jī)口旁邊放置的充電柱，因?yàn)楝F(xiàn)在無(wú)論哪個(gè)牌子的智能手機(jī)，如果連續(xù)使用，續(xù)航都超不過(guò)6~8個(gè)小時(shí);而面對(duì)市場(chǎng)上眾多品牌的電動(dòng)車型，單次充電續(xù)航里程(參配、圖片、詢價(jià))的多少，也成了消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)汽車的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，甚至「里程焦慮」(Range Anxiety)這樣的詞匯也應(yīng)運(yùn)而生。

原地踏步?

像電池這種在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色的儲(chǔ)能產(chǎn)品，卻遲遲跟不上前沿科技快速前進(jìn)的腳步，而赤裸裸的現(xiàn)實(shí)只會(huì)令人更加郁悶，特別是硅谷很多創(chuàng)業(yè)家對(duì)電池技術(shù)的發(fā)展缺乏類似“摩爾定律(Moore's Law)”這樣的理論支撐而深感惋惜。

「摩爾定律」是由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾于1965年提出的，他預(yù)測(cè)“計(jì)算機(jī)芯片每18個(gè)月性能都會(huì)翻倍，但成本卻在逐漸降低”。對(duì)英特爾這樣的芯片商而言，摩爾定律的出現(xiàn)反倒成了刺激其技術(shù)突破的外部力量，所以電池產(chǎn)業(yè)亟待一場(chǎng)能夠帶來(lái)翻天覆地變化的革命力量。

誠(chéng)然，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姵匾呀?jīng)在性能上有了大幅提升，但是相比摩爾定律描述的芯片技術(shù)的革新速度，仍相差萬(wàn)里。目前大多數(shù)移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)汽車都靠鋰電池功能，而正是索尼在20世紀(jì)90年代將其實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。在過(guò)去的幾年里，鋰電池的重量越來(lái)越輕，但容量和性能卻與日俱增，像蘋果MacBook Air使用的大尺寸鋰電池，在正常工作模式下，可實(shí)現(xiàn)12小時(shí)的超長(zhǎng)待機(jī)。

美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)，電化學(xué)技術(shù)小組負(fù)責(zé)人Vincent Battaglia認(rèn)為“鋰電池是一種近乎理想的電池”。因?yàn)殇囀堑厍蛏现亓孔钶p的金屬，相比鉛、鋅和鎳鎘這些比重更大的替代品，它攜帶電子的能力更勝一籌。此外，鋰電池不會(huì)出現(xiàn)鎳鎘電池的“記憶效應(yīng)”，所以你完全不必等電量耗盡，隨充隨用也不用擔(dān)心會(huì)對(duì)電池造成傷害。

但現(xiàn)在的焦點(diǎn)其實(shí)在鋰電池自身的相對(duì)短板上。鋰的過(guò)于活潑導(dǎo)致安全性問(wèn)題，能量密度偏低，儲(chǔ)電成本偏高等。

盡管目前很多科研人員都在努力嘗試，但大家面臨的主要問(wèn)題在于如何將理想化的實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為可大批量生產(chǎn)的、日常生活能夠使用的電池產(chǎn)品。由于在電極材料的選擇和制造工藝上，并無(wú)大幅改觀，因此不少科學(xué)家對(duì)鋰電池能量密度是否能在現(xiàn)有水平上得到進(jìn)一步提升，仍持保留意見。

關(guān)于鋰電池電極、電解質(zhì)的各種創(chuàng)新

目前Battaglia博士領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組正在研究一種名為“過(guò)渡金屬”(transition metals)的材料。這是一種由金屬錳、鎳、鈷和石墨組成的混合物，可用來(lái)充當(dāng)鋰電池的電極。Battaglia表示只要找到上述四種金屬的最佳配比，就能夠有效提高原有鋰電池的能量密度。相比開發(fā)一款全新電池產(chǎn)品所耗費(fèi)的精力和財(cái)力，這種「借力」的方式實(shí)在是有夠機(jī)智!

其他機(jī)構(gòu)的研究人員則探索了多種提高電池能量密度的方式。來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的崔毅和他的同事們正在開發(fā)一種薄膜，它的厚度只有原子大小，可用來(lái)包裹電池陽(yáng)極。據(jù)悉，經(jīng)過(guò)薄膜包裹處理后的陽(yáng)極能夠承載鋰離子的數(shù)量大幅增加，同時(shí)搭配用硫制成的陰極(硫，和金屬鋰類似，有著很高的能量密度)，其存儲(chǔ)的電能總量約為同質(zhì)量鋰電池的5倍。

無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的梁誠(chéng)度(音譯)及其研究團(tuán)隊(duì)有著類似的實(shí)驗(yàn)成果。他們正在開發(fā)的一款鋰硫電池并沒(méi)有采用傳統(tǒng)液態(tài)或膠狀的電解質(zhì)，而是 “劍走偏鋒”的使用了固態(tài)電解質(zhì)，這使得電池本身會(huì)變得更加穩(wěn)定，即使能量密度大幅提升也不用擔(dān)心出現(xiàn)過(guò)熱起火的事故。不過(guò)遺憾的是，即便這些電池目前已經(jīng)具備了商業(yè)化的條件，但在正式推向市場(chǎng)之前，還有著很長(zhǎng)的一段路要走。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的鋰硫電池

其實(shí)，一些體積非常小的固態(tài)電池在小型裝置和傳感器上并不陌生，它們經(jīng)常被用作微型芯片的備用電源。不過(guò)這種固態(tài)電池的生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)鋰電池大為不同，和半導(dǎo)體的制作工藝頗為相似，即將電池材料通過(guò)「印刷」的方式置于底層基板上。

盡管這種固態(tài)電池的能量密度極高，但如若生產(chǎn)用于手機(jī)和電動(dòng)汽車使用的大型產(chǎn)品，成本造價(jià)則太過(guò)昂貴。為此，已經(jīng)有很多公司在積極嘗試改變這一現(xiàn)狀。 Sakti3作為密歇根州本土的一家電池供應(yīng)商，目標(biāo)是將“鋰-*電池”每千瓦時(shí)的儲(chǔ)能費(fèi)用降至100美元左右，而英國(guó)知名吸塵器制造商戴森近日則為這家公司注資1500萬(wàn)美金，用于支撐該研究項(xiàng)目的進(jìn)行。此外，德國(guó)大眾集團(tuán)數(shù)月前曾購(gòu)入一家位于硅谷、致力于固態(tài)電池研究的初創(chuàng)公司—— QuantumScape的5%股權(quán)。

從理論上來(lái)看，鋰空氣電池的能量密度最高，而空氣的使用則會(huì)大幅降低該電池的重量。盡管研究人員數(shù)年一直在嘗試制作類似的鋰電池，但目前還只是停留在試驗(yàn)階段，尚無(wú)任何可投入商用的重大成果推出。

工業(yè)、家居儲(chǔ)能電池的發(fā)展

當(dāng)然，在某些特定情況下，電池重量并不是什么問(wèn)題，而此時(shí)金屬「鋰」也面臨著大波的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前，很多公司都在研發(fā)可存儲(chǔ)電網(wǎng)過(guò)剩電能的巨型電池，這對(duì)仍處于階段性發(fā)展的可再生能源市場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的沖擊。隨著工業(yè)現(xiàn)代化時(shí)代的到來(lái)，很多電力公司在用電高峰期表現(xiàn)出了「力不從心、疲于應(yīng)對(duì)」的狀態(tài)，如果某些用電需求不高的地區(qū)能夠?qū)⑷哂嚯娏侩S時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，那么整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷也將得到有效平衡，可謂物美價(jià)廉的解決方案。[!--empirenews.page--]

但目前僅有不到0.01%的過(guò)剩電能被存儲(chǔ)了起來(lái)，而任何一家商業(yè)電力公司都有在發(fā)電之初或輸送過(guò)程中儲(chǔ)存電能的能力。EOS能源存儲(chǔ)公司副總裁(參配、圖片、詢價(jià)) Philippe Bouchard表示紐約和加州的電力公司已經(jīng)在使用其公司推出的類似大型集裝箱的鋅離子電池用于冗余電量的儲(chǔ)存，該電池造價(jià)僅160美元/千瓦時(shí)，對(duì)電網(wǎng)級(jí)別的儲(chǔ)能產(chǎn)品而言，有著無(wú)可比擬的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

其他像美國(guó)通用電氣、韓國(guó)LG，日本NEC，德國(guó)戴姆勒，特斯拉以及初創(chuàng)公司Aquion Energy都已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入了大型儲(chǔ)能電池這片行業(yè)藍(lán)海，而崛起于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Aquion Energy甚至得到了前微軟聯(lián)合創(chuàng)始人比爾·蓋茨等一眾大佬的資金支持。

這樣的電池產(chǎn)品其實(shí)完全可以在家用以及商用領(lǐng)域進(jìn)行「大肆」推廣。設(shè)想一下，電池系統(tǒng)能夠在用電波谷期將電網(wǎng)冗余電能儲(chǔ)存起來(lái)，既保證了用電高峰期電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)還能大幅節(jié)省用電支出。而可再生的太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能后，完全可以在電網(wǎng)負(fù)荷較重時(shí)「回輸」，以換取電費(fèi)折扣。如此一來(lái)，一些小型商戶和家庭完全可以體驗(yàn)「脫網(wǎng)」時(shí)代的生活了。

那么能夠用于家庭的小型電能存儲(chǔ)系統(tǒng)除鋰離子、鋅離子電池之外，還有沒(méi)有其他選擇呢?這里要談?wù)劥蠹铱赡懿⒉惶煜さ囊毫麟姵?flow battery)。

液流電池通常包含兩個(gè)容器，其中貯存有液體化學(xué)溶劑，形成兩個(gè)次系統(tǒng)。這兩個(gè)次系統(tǒng)間的連接部分，為發(fā)電區(qū)，以薄膜相隔。這兩種化學(xué)溶劑，流動(dòng)到發(fā)電區(qū)，隔著薄膜，產(chǎn)生離子交換，透過(guò)這種方式來(lái)進(jìn)行充放電。

從理論上來(lái)講，液流電池的能量密度取決于存放電解液容器的大小，因此將其制成固定式家用產(chǎn)品并沒(méi)有太大困難。哈佛大學(xué)教授Michael Aziz帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行可接入電網(wǎng)的工業(yè)級(jí)液流電池產(chǎn)品的開發(fā)，但近日其表示有望推出一款安全、價(jià)格低廉、約莫電暖氣大小、可放在地下室使用的家用產(chǎn)品。

目前多數(shù)液流電池產(chǎn)品控制電解液進(jìn)出的節(jié)流泵仍由貴金屬制成，這使得其造價(jià)一直居高不下。但來(lái)自哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)表示之所以他們開發(fā)的系統(tǒng)有著巨大的商業(yè)化潛力，是因?yàn)檎麄€(gè)液流電池系統(tǒng)使用了一種通過(guò)自然形成的有機(jī)材料“醌類”代替常規(guī)金屬泵，它和動(dòng)植物體內(nèi)的儲(chǔ)能分子有著相似的功能和性質(zhì)，可大幅降低液流電池的制造成本。不過(guò)，據(jù)Aziz教授稱，為了提高電池性能，他們使用了溴這種毒性很大的材料充當(dāng)電極，但整個(gè)團(tuán)隊(duì)有信心未來(lái)找到可用于制作電極的有機(jī)材料。

由此來(lái)看，屬于液流電池的時(shí)代仍未到來(lái)。而在此之前，如果鋰電池的造價(jià)能夠再低一些，它完全是替代那些寫字樓里笨重但相對(duì)便宜的蓄電池的不二之選，畢竟輕量化、緊湊的設(shè)計(jì)，以及理想的能量密度，具有非常吸引人的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

這不正是“鋼鐵俠”伊隆·馬斯克所暢想的鋰電池的光明前景嗎?作為一家只生產(chǎn)純電動(dòng)汽車的“非主流”車企，特斯拉將投資50億美金聯(lián)合松下集團(tuán)在內(nèi)華達(dá)州共建一座超級(jí)電池工廠。正式投產(chǎn)預(yù)計(jì)明年開始，按照特斯拉官方公布的計(jì)劃，截止到2020年，超級(jí)電池工廠的產(chǎn)能將能夠滿足50萬(wàn)輛車子的正常交付需求。

在面對(duì)鋰電池的技術(shù)革新問(wèn)題上，似乎特斯拉并沒(méi)有斥巨資進(jìn)行高容量密度產(chǎn)品的研究。馬斯克認(rèn)為技術(shù)的穩(wěn)步提升以及生產(chǎn)的高效進(jìn)行都能夠使鋰電池成本下降約 30%，同時(shí)也有助于特斯拉銷售更多的電動(dòng)車型。當(dāng)然，超級(jí)電池工廠的一部分產(chǎn)品也將用作家庭以及工商業(yè)級(jí)別的儲(chǔ)能設(shè)備使用。4月底，特斯拉公布了醞釀已久的能源計(jì)劃，同時(shí)第一款針對(duì)家庭使用、容量為10千瓦時(shí)的固定式家用電池Powerwall已經(jīng)開放預(yù)訂，售價(jià)為3500美金(不包括控制系統(tǒng)以及整體安裝費(fèi)用)。