重磅消息：下一代電池長(cháng)什么樣？

　　最近特斯拉、蔚來(lái)汽車(chē)的電池自燃事件頻發(fā)，于是大家對鋰電池的關(guān)注焦點(diǎn)從續航里程轉移到了安全問(wèn)題上。從消費者的角度，當然希望有價(jià)格低、續航長(cháng)、性能好、安全高等的完美電池出現，但是這并不符合物理定律。電池研究就像是玩平衡術(shù)，需要在幾個(gè)維度之間不斷的協(xié)調、折中，往往是改變一個(gè)維度上的指標就會(huì )牽動(dòng)其他幾個(gè)維度。

　　最近刷領(lǐng)英看到比爾·蓋茨分享的一篇文章。他說(shuō)很少有發(fā)明像電池一樣給生活帶來(lái)這么大的改變。同時(shí)，越來(lái)越多的發(fā)明家和投資家投身到這個(gè)領(lǐng)域，致力于制造出更好的電池。他轉發(fā)的這篇文章叫做《How we get to the next big battery breakthrough 》，發(fā)表于2019年4月8日，其中包含一些最新的信息。

比爾·蓋茨LinkedIn賬號分享內容

　　電動(dòng)飛機可能是航空業(yè)的未來(lái)。從理論上講，它們將比我們現在擁有的飛機更安靜、更便宜、更清潔。一次充電1000公里（620英里）的電動(dòng)飛機今天可以用于所有商用飛機飛行的一半，將全球航空的碳排放量減少了大約15%。

　　電動(dòng)汽車(chē)也是如此。電動(dòng)汽車(chē)不僅僅是污染噴涌的同類(lèi)產(chǎn)品的清潔版。從根本上說(shuō)，它是一輛更好的汽車(chē)：它的電動(dòng)機產(chǎn)生的噪音很小，對司機的決定反應迅速。給電動(dòng)汽車(chē)充電的費用遠低于支付等量汽油的費用。電動(dòng)汽車(chē)可以用一小部分運動(dòng)部件來(lái)制造，這使得維修成本更低。

　　那么為什么電動(dòng)汽車(chē)還沒(méi)有普及呢？這是因為電池價(jià)格昂貴，使得電動(dòng)汽車(chē)的前期成本遠高于類(lèi)似的燃油動(dòng)力汽車(chē)。而且，除非你開(kāi)很多車(chē)，否則節省的汽油并不總能抵消更高的前期成本?？傊?，電動(dòng)汽車(chē)仍然不經(jīng)濟。

　　同樣，目前的電池在重量或體積上也不能儲存足夠的能量來(lái)為客機提供動(dòng)力。在電池技術(shù)成為現實(shí)之前，我們仍然需要取得根本性的突破。

　　電池驅動(dòng)的便攜式設備改變了我們的生活。但是，如果能便宜地制造出更安全、更強大、更高能量密度的電池，那么電池就有更多的可能被破壞。任何物理學(xué)定律都不能排除它們的存在。

　　然而，盡管自1799年第一個(gè)電池發(fā)明以來(lái)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)多世紀的密切研究，科學(xué)家們仍然不完全理解這些設備內部到底發(fā)生了什么的基本原理。我們所知道的是，為了讓電池再一次真正改變我們的生活，基本上有三個(gè)問(wèn)題需要解決：電力、能源和安全。

沒(méi)有一個(gè)適合所有鋰離子電池的尺寸

　　每個(gè)電池有兩個(gè)電極：一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極。大多數鋰離子電池的陽(yáng)極是由石墨制成的，但陰極是由各種材料制成的，這取決于電池的用途。下面，您可以看到不同的陰極材料如何改變電池類(lèi)型在六個(gè)方面的表現。

能量挑戰

　　一般來(lái)說(shuō)，人們使用“能源”和“能量”是可以互換的，但在談?wù)撾姵貢r(shí)區分它們是很重要的。功率是能量釋放的速率。

　　一個(gè)強大的電池能夠在很短的時(shí)間內釋放大量的能量足以支撐商業(yè)噴氣式飛機的起飛和保持在1000公里的高空飛行，特別是起飛的瞬間。因此，這不僅僅是可以?xún)Υ婧芏嗄芰?，還涉及到擁有迅速釋放能量的能力。

　　應對能源挑戰需要我們了解商用電池里面到底是什么?；蛟S，這些內容聽(tīng)起來(lái)有些呆板，但是請容忍一下。新的電池技術(shù)經(jīng)常被夸大，就是因為多數人對電池的細節不夠了解。

　　我們目前最前沿的電池化學(xué)是鋰離子。大多數專(zhuān)家都同意，在至少十年或更長(cháng)的時(shí)間里，沒(méi)有其他化學(xué)物質(zhì)會(huì )破壞鋰離子。鋰離子電池有兩個(gè)電極（陰極和陽(yáng)極），中間有一個(gè)分離器（一種可以傳導離子而不是電子的材料，旨在防止短路），還有一個(gè)電解質(zhì)（通常是液體），使鋰離子在電極之間來(lái)回流動(dòng)。當電池充電時(shí)，離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極；當電池供電時(shí)，離子向相反的方向移動(dòng)。

鋰離子電池內部

　　想象一下兩條切片面包。每個(gè)面包都是一個(gè)電極：左邊是陰極，右邊是陽(yáng)極。讓我們假設陰極是由鎳、錳和鈷（NMC）薄片組成的——這是同類(lèi)中最好的薄片之一，陽(yáng)極是由石墨組成的，石墨本質(zhì)上是由碳原子的層狀薄片或薄片組成。

　　在放電狀態(tài)下，也就是說(shuō)，在能量耗盡后，NMC面包在每片之間夾有鋰離子。當電池充電時(shí)，每一個(gè)鋰離子從薄片之間被提取出來(lái)，并被迫通過(guò)液體電解質(zhì)。分離器充當檢查點(diǎn)，確保只有鋰離子通過(guò)石墨層。當電池充滿(mǎn)電時(shí)，電池的陰極層就不會(huì )剩下鋰離子，而是整齊地夾在石墨層之間。當電池的能量被消耗時(shí)，鋰離子會(huì )回到陰極，直到陽(yáng)極中沒(méi)有剩余的鋰離子。這時(shí)電池需要重新充電。

　　電池的能量容量基本上取決于這個(gè)過(guò)程發(fā)生的速度。但提高速度并不容易。過(guò)快地將鋰離子從陰極面包中抽出可能會(huì )導致切片產(chǎn)生缺陷，最終破裂。這就是為什么我們使用智能手機、筆記本電腦或電動(dòng)車(chē)的時(shí)間越長(cháng)，它們的電池壽命就越差的一個(gè)原因。每次充放電都會(huì )使面包變弱。

　　許多公司都在努力解決這個(gè)問(wèn)題。一種想法是用結構更堅固的材料代替層狀電極。例如，已有100年歷史的瑞士電池公司Leclanch_正致力于一項技術(shù)，該技術(shù)使用具有“橄欖石”結構的磷酸鐵鋰（LFP）作為陰極，使用具有“尖晶石”結構的鈦酸鋰（LTO）作為陽(yáng)極。這些結構在處理鋰離子進(jìn)出材料的流動(dòng)方面更為出色。

　　Leclanché目前在自動(dòng)倉庫叉車(chē)中使用電池，電池可以在9分鐘內充電到100%。相比之下，最好的特斯拉增壓器可以在10分鐘內將特斯拉汽車(chē)電池充電到50%左右。Leclanché也在英國部署其電池，用于快速充電的電動(dòng)汽車(chē)。這些電池位于充電站，從電網(wǎng)長(cháng)時(shí)間緩慢地吸收少量電力，直到完全充電。然后，當汽車(chē)?？繒r(shí)，塢站電池會(huì )快速為汽車(chē)電池充電。當汽車(chē)離開(kāi)時(shí)，車(chē)站的電池又開(kāi)始充電了。

　　像Leclanché所做的努力表明，修補電池化學(xué)制品以提高其功率是可能的。盡管如此，還沒(méi)有人制造出一個(gè)足夠強大的電池來(lái)快速釋放商用飛機戰勝重力所需的能量。初創(chuàng )企業(yè)正在尋求建造小型飛機（最多可容納12人），這種飛機可以使用功率相對較低的密集型電池或電動(dòng)混合動(dòng)力飛機，在這種飛機上，噴氣燃料起重很困難，電池起滑行作用。

　　但在這個(gè)接近商業(yè)化的領(lǐng)域卻沒(méi)有公司進(jìn)行投入。此外，卡內基梅隆大學(xué)的電池專(zhuān)家VenkatViswanathan說(shuō)，全電動(dòng)商用飛機所需的技術(shù)飛躍可能需要幾十年。

能源挑戰

　　特斯拉Model 3 是該公司最實(shí)惠的車(chē)型，起價(jià)為35000美元。它使用一個(gè)50千瓦時(shí)的電池，大約花費8750美元，相當于汽車(chē)總價(jià)格的25%。

　　與不久前相比，這仍然是一筆令人驚訝的費用。據彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）稱(chēng)，2018年全球鋰離子電池的平均成本約為175美元/kWh，低于2010年的近1200美元/kWh。

　　據美國能源部測算，一旦電池成本降至每千瓦時(shí)125美元以下，在世界大部分地區擁有和運營(yíng)電動(dòng)汽車(chē)將比燃氣動(dòng)力汽車(chē)便宜。這并不意味著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)將在所有的細分市場(chǎng)和領(lǐng)域戰勝燃氣動(dòng)力汽車(chē)，例如，長(cháng)途卡車(chē)還沒(méi)有電力解決方案。但這是一個(gè)轉折點(diǎn)，人們開(kāi)始喜歡電動(dòng)汽車(chē)，因為在大多數情況下，電動(dòng)汽車(chē)更經(jīng)濟。

　　實(shí)現這一目標的一種方法是提高電池的能量密度，在不降低價(jià)格的情況下將更多的電塞進(jìn)電池組中。理論上，電池化學(xué)家可以通過(guò)增加陰極或陽(yáng)極或兩者的能量密度來(lái)做到這一點(diǎn)。

　　在商業(yè)化應用中，能量密度最高的陰極是NMC811（數字中的每個(gè)數字分別代表混合中鎳、錳和鈷的比例）。它還不完美。最大的問(wèn)題是，在它停止工作之前，它只能承受相對較少的充放電壽命周期。但專(zhuān)家預測，未來(lái)五年內，產(chǎn)業(yè)研發(fā)將解決NMC 811的問(wèn)題。當這種情況發(fā)生時(shí)，使用NMC811的電池將有10%或更多的能量密度。

　　然而，10%的增長(cháng)并不是那么大。過(guò)去幾十年的一系列創(chuàng )新推動(dòng)了陰極的能量密度越來(lái)越高，而陽(yáng)極是最大的能量密度機會(huì )所在。

　　石墨一直是占主導地位的陽(yáng)極材料。它價(jià)格便宜，可靠，能量密度相對較高，特別是與目前的陰極材料相比。但與其他潛在的陽(yáng)極材料（如硅和鋰）相比，它相當弱。

　　例如，硅在理論上比石墨更好地吸收鋰離子。這就是為什么許多電池公司在其陽(yáng)極設計中都試圖在石墨中加入一些硅；特斯拉首席執行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，公司已經(jīng)在鋰離子電池中加入了硅。

　　更大的一步將是開(kāi)發(fā)一種完全由硅制成的商業(yè)上可行的陽(yáng)極。但這種元素的特點(diǎn)使其難以實(shí)現。當石墨吸收鋰離子時(shí)，其體積變化不大。然而，在同樣的情況下，硅陽(yáng)極膨脹到原來(lái)體積的四倍。

　　不幸的是，你不能只是讓外殼更大以適應膨脹，因為膨脹會(huì )破壞硅陽(yáng)極的“固體電解質(zhì)界面”，即SEI。

　　你可以把SEI看作是陽(yáng)極為自身創(chuàng )造的一種保護層，類(lèi)似于鐵形成銹的方式，也被稱(chēng)為氧化鐵，以保護自己免受元素的侵害：當你把一塊新鍛造的鐵放在外面時(shí)，它會(huì )慢慢地與空氣中的氧反應，從而生銹。在鐵銹層的下面，其余的鐵不會(huì )遭受同樣的命運，因此保持了結構的完整性。

　　在電池第一次充電結束時(shí)，電極形成了自己的“銹”層，SEI將電極的未極化部分與電解液分離。SEI阻止了消耗電極的額外化學(xué)反應，確保鋰離子能夠盡可能平穩地流動(dòng)。

　　但是，有了硅陽(yáng)極，每次使用電池為某個(gè)設備供電時(shí)，SEI都會(huì )斷裂，每次給電池充電時(shí)，SEI都會(huì )進(jìn)行改革。在每個(gè)充電周期中，會(huì )消耗一點(diǎn)點(diǎn)硅。最終，硅會(huì )消散到電池不再工作的程度。

　　在過(guò)去的十年里，一些硅谷的初創(chuàng )企業(yè)一直在努力解決這個(gè)問(wèn)題。例如，SilaNano的方法是將硅原子封裝在一個(gè)納米大小的殼內，殼內有許多空腔。這樣，SEI就形成在外殼的外部，硅原子在外殼內部發(fā)生膨脹，而不會(huì )在每個(gè)電荷放電循環(huán)后破壞SEI。該公司價(jià)值3.5億美元，稱(chēng)其技術(shù)將在2020年為設備供電。

　　另一方面，Enovix采用了一種特殊的制造技術(shù)，將100%的硅陽(yáng)極置于巨大的物理壓力下，迫使其吸收更少的鋰離子，從而限制了陽(yáng)極的膨脹，防止了SEI斷裂。該公司從英特爾和高通公司獲得投資，預計到2020年，該公司的電池將用于設備。

　　這些折衷意味著(zhù)硅陽(yáng)極不能達到理論上的高能量密度。不過(guò)，兩家公司都表示，他們的陽(yáng)極性能優(yōu)于石墨陽(yáng)極。第三方目前正在測試兩家公司的電池。

安全挑戰

　　為了在電池中儲存更多能量而進(jìn)行的所有分子修補都是以犧牲安全為代價(jià)的。自從發(fā)明以來(lái)，鋰離子電池就因頻繁著(zhù)火而引起頭痛。例如，在20世紀90年代，加拿大的Moli能源公司將手機用鋰金屬電池商業(yè)化。但在現實(shí)世界中，它的電池開(kāi)始著(zhù)火，莫里被迫召回，最終申請破產(chǎn)。（其部分資產(chǎn)被一家臺灣公司收購，仍在銷(xiāo)售品牌為E-One Moli Energy的鋰離子電池。）最近，三星的Galaxy Note 7智能手機開(kāi)始在人們的口袋里爆炸。2016年的產(chǎn)品召回使韓國巨頭損失了53億美元。

　　如今的鋰離子電池仍然存在固有的風(fēng)險，因為它們幾乎總是使用易燃液體作為電解質(zhì)。對我們人類(lèi)來(lái)說(shuō)，很不幸的是，能夠輕易運輸離子的液體也往往具有較低的著(zhù)火門(mén)檻。一種解決方案是使用固體電解質(zhì)。但這意味著(zhù)其他的妥協(xié)。電池的設計可以很容易地包括一種液體電解質(zhì)，它與電極的每一個(gè)接觸點(diǎn)都能有效地傳遞離子。固體的話(huà)要困難得多。想象一下，把一對骰子扔進(jìn)一杯水里?，F在想象一下把同樣的骰子扔進(jìn)一杯沙子里。顯然，水會(huì )比沙子接觸到更多的骰子表面積。

　　到目前為止，固體電解質(zhì)鋰離子電池的商業(yè)用途僅限于低功率應用，如用于互聯(lián)網(wǎng)連接的傳感器。擴大不含液體電解質(zhì)的固態(tài)電池規模的努力大致可分為兩類(lèi)：高溫下的固體聚合物和室溫下的陶瓷。

高溫下的固態(tài)聚合物

　　聚合物是連接在一起的長(cháng)鏈分子。它們在日常應用中極為常見(jiàn)，例如，一次性塑料袋是由聚合物制成的。當某些類(lèi)型的聚合物被加熱時(shí)，它們的行為就像液體一樣，但沒(méi)有在大多數電池中使用的液體電解質(zhì)的可燃性。換句話(huà)說(shuō)，它們作為液體電解質(zhì)具有很高的離子導電性，而不存在風(fēng)險。

　　但它們有局限性。它們只能在105°C（220°F）以上的溫度下工作，這意味著(zhù)它們不適合智能手機。但是，例如，它們可以用來(lái)儲存家庭電池中來(lái)自電網(wǎng)的能量。至少兩家美國SEEO和法國B(niǎo)OLLOR_公司正在開(kāi)發(fā)使用高溫聚合物作為電解質(zhì)的固態(tài)電池。

室溫陶瓷

　　在過(guò)去十年中，兩類(lèi)陶瓷LLZO（鋰、鑭和氧化鋯）和LGPS（鋰、鍺、硫化磷）在室溫下的導電性能幾乎與液體一樣好。

　　豐田和硅谷初創(chuàng )企業(yè)Quantumscape（去年從大眾汽車(chē)公司籌集了1億美元資金）都在致力于在鋰離子電池中部署陶瓷。在太空中加入大玩家意味著(zhù)一個(gè)突破可能比許多人想象的更接近。

　　卡內基梅隆的維斯瓦納坦說(shuō)：“在兩三年內，我們很快就能看到真正的（使用陶瓷）東西。”

平衡術(shù)

　　電池已經(jīng)是一項大生意，市場(chǎng)也在不斷增長(cháng)。這些錢(qián)吸引了很多有更多想法的企業(yè)家。但是電池領(lǐng)域初創(chuàng )企業(yè)的失敗率比軟件公司還高，盡管軟件企業(yè)是高失敗率著(zhù)稱(chēng)。這是因為材料科學(xué)的創(chuàng )新是困難的。

　　到目前為止，電池化學(xué)家發(fā)現，當他們試圖改善一種特性（比如說(shuō)能量密度）時(shí)，他們必須在另一種特性（比如說(shuō)安全性）上妥協(xié)。這種平衡行為意味著(zhù)各方面的進(jìn)展緩慢，充滿(mǎn)了問(wèn)題。

　　但是，隨著(zhù)人們對麻省理工學(xué)院的明江（ming-jiang）問(wèn)題的更多關(guān)注，他估計現在美國電池科學(xué)家的數量是10年前的三倍，成功的機會(huì )也會(huì )增加。電池的潛力仍然巨大，但考慮到未來(lái)的挑戰，最好以懷疑的態(tài)度看待關(guān)于新電池的每一項聲明。

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