中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：為了給智能手機(jī)或特斯拉 Model 3 供電，目前來(lái)看，還沒(méi)有比鋰電池更好的選擇。
自1991年推出以來(lái)，可充電鋰電池一直是日常科技設(shè)備和電動(dòng)車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，世界上有300多萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)使用鋰離子電池。但隨著世界向電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)邁進(jìn)，它需要比鋰離子電池更高效的東西來(lái)跟上步伐。
一個(gè)產(chǎn)業(yè)共識(shí)是，鋰電池現(xiàn)有材料體系現(xiàn)在幾乎是已經(jīng)碰壁。如果真的想增加能量密度，就必須采用一種完全不同的模式。更高的能量密度意味著電池更便宜、更輕和更長(zhǎng)的續(xù)航里程。
也正是在這樣背景之下，一些新的初創(chuàng)企業(yè)將目光投向新的材料體系及下一代電池的產(chǎn)業(yè)化上，以期生產(chǎn)出更好的電池，這些電池成本更低、能量密度更高、性能更好，適用于增壓工業(yè)產(chǎn)品和消費(fèi)技術(shù)，以及充電速度更快、行駛距離更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)。
這其中，美國(guó)企業(yè)就極具代表性，德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)發(fā)布的一份全球鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的報(bào)告中，特別提及了美國(guó)在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的破壞性創(chuàng)新，即實(shí)現(xiàn)至少一種性能參數(shù)，如能量密度比現(xiàn)有的鋰離子電池有顯著改進(jìn)的技術(shù)。
事實(shí)也的確如此，從今年開(kāi)始，包括Sila Nanotechnologies、Solid Power、Quantum Scape等幾家初創(chuàng)企業(yè)將把他們的電池推向商業(yè)市場(chǎng)。這些企業(yè)認(rèn)為，與目前的鋰離子電池技術(shù)相比，它們的電池技術(shù)有了很大進(jìn)步。
Sila Nanotechnologies的首席執(zhí)行官Gene Berdichevsky說(shuō)：“我們花了8年時(shí)間，大概進(jìn)行了3.5萬(wàn)次材料合成，才有了商業(yè)化的東西?！?
Sila Nanotechnologies公司正在建設(shè)其第一條硅負(fù)極電池商業(yè)生產(chǎn)線。
Sila只是幾個(gè)電池初創(chuàng)企業(yè)之一，最近收到重大資金繼續(xù)調(diào)整電池技術(shù)。去年，位于加利福尼亞的公司阿拉米達(dá)總部承擔(dān)了7000萬(wàn)美元的D輪融資，來(lái)自包括西門(mén)子全球風(fēng)險(xiǎn)投資公司在內(nèi)的幾個(gè)投資者，用來(lái)建立它的第一個(gè)商業(yè)硅負(fù)極電池生產(chǎn)線。
這距離埃隆-馬斯克旗下特斯拉的第七員工、機(jī)械和能源工程師伯迪舍夫斯基（Berdichevsky）成為該公司聯(lián)合創(chuàng)始人剛好十年。伯迪舍夫斯基曾經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了特斯拉跑車(chē)（Tesla Roadster）電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。Tesla Roadster跑車(chē)曾經(jīng)被馬斯克旗下SpaceX發(fā)射送入太空軌道中。
投資回報(bào)即將到來(lái)
目前鋰離子電池的新材料體系已經(jīng)花了大約10年的時(shí)間來(lái)研究。直到現(xiàn)在，初創(chuàng)企業(yè)才開(kāi)始為商業(yè)聚光燈做準(zhǔn)備，這一推出至少需要幾年時(shí)間，甚至可能還要整整十年。
“一輛汽車(chē)所需的材料相當(dāng)于1萬(wàn)部智能手機(jī)或1000塊智能手表，”伯迪舍夫斯基說(shuō)?！拔覀儗南M(fèi)設(shè)備開(kāi)始。在未來(lái)五年，我們將擴(kuò)大與汽車(chē)合作伙伴的規(guī)模。”
Sila目前的汽車(chē)合作伙伴之一是寶馬。
目前的鋰離子電池在材料和物理能量密度方面受到限制。新電池技術(shù)旨在提高鋰離子電池的安全性和能源效率，因?yàn)檫@樣即便是電池過(guò)熱或損壞，也不會(huì)有起火的風(fēng)險(xiǎn)。
每個(gè)鋰離子電池由四個(gè)基本部分組成：正極和負(fù)極（每個(gè)鋰離子電池兩端的電極）、液體電解質(zhì)和隔膜。當(dāng)電解液攜帶鋰離子通過(guò)隔膜進(jìn)出正極和負(fù)極時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電流。正是這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了儲(chǔ)存在電池里的電量。
如果組成正極和負(fù)極的化學(xué)物質(zhì)——分別是石墨和某種金屬氧化物——溫度過(guò)高，就會(huì)破壞隔膜，從而暴露出高度易燃的電解質(zhì)?；叵胍幌氯荊alaxy Note 7手機(jī)爆炸的情況，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。目前鋰離子的最大能量密度約為250wh/kg；相比之下，目前大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)電池的電芯能量密度為220——250wh/kg。
備戰(zhàn)下一代電池
固態(tài)電池是一種新的電池技術(shù)，它不僅用鋰金屬制成的負(fù)極取代石墨負(fù)極，還用一塊固體（通常是陶瓷、玻璃或阻燃聚合物）代替液體電解質(zhì)和隔膜。采用這種方法的是總部位于科羅拉多州的固態(tài)電池制造商Solid Power，該公司在2018年獲得了2000萬(wàn)美元的A輪融資。據(jù)該公司高管稱，他們正在開(kāi)發(fā)的電池至少能增加50%的能量密度。
Sila Nanotechnologies創(chuàng)始人（從左至右）：首席技術(shù)官Gleb Yushin，首席執(zhí)行官Gene Berdichevsky和工程副總裁Alex Jacobs
神秘的斯坦福大學(xué)（Stanford University）的子公司Quantum Scape也在與大眾汽車(chē)合作開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。去年大眾增加了1億美元的投資。Pitch Book的數(shù)據(jù)顯示，這家總部位于圣何塞的初創(chuàng)公司估值17.5億美元。
根據(jù)宣布這筆交易的新聞稿，Quantum Scape的電池一次充電可以讓大眾的E-Golf行駛750公里（目前的行駛里程為300公里），使其能夠與傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)的行駛里程相媲美。大眾汽車(chē)表示，Quantum Scape的電池應(yīng)該比目前的鋰離子電池充電速度更快、重量更輕。
不過(guò)，正如日產(chǎn)一位副總裁去年所說(shuō)，固態(tài)電池可能要到下個(gè)10年的某個(gè)時(shí)候才能全部上市。甚至Quantum Scape的新聞稿也宣布了2025年的商業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。固態(tài)技術(shù)的更長(zhǎng)的時(shí)間表是解決當(dāng)前電池工廠如何建立。
現(xiàn)有鋰電池工藝設(shè)計(jì)初衷是用液體電解質(zhì)來(lái)處理鋰離子電池的生產(chǎn)，而改用固體材料則不僅僅是更換工廠車(chē)間的生產(chǎn)流程那么簡(jiǎn)單?！斑@是一項(xiàng)處于商業(yè)化非常、非常早期階段的新興技術(shù)，”Solid Power的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主管迪恩-弗蘭克爾（Dean Frankel）說(shuō)?！皬臄U(kuò)大規(guī)模的角度來(lái)看，這只是需要時(shí)間?！?
盡管一些初創(chuàng)企業(yè)正致力于完善和擴(kuò)大固態(tài)電池的規(guī)模，但像Sila Nanotechnologies這樣的公司則希望利用目前的鋰離子制造工藝，將電池快速推向市場(chǎng)。Sila不是制造固態(tài)電池，而是用硅材料代替石墨陽(yáng)極，硅材料吸收鋰離子的速度是石墨的四倍。
更重要的是，大多數(shù)帶有石墨負(fù)極的鋰離子電池的充電倍率（C率）低于1C。用硅陽(yáng)極開(kāi)發(fā)新電池的初創(chuàng)企業(yè)表示，他們的電池的倍要高得多，這是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)未來(lái)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人不愿意等一個(gè)多小時(shí)才給汽車(chē)充電，而給汽車(chē)加油只需幾分鐘。
Enevate首席執(zhí)行官羅伯特?a?蘭戈（Robert a . Rango）表示：“我們可以維持比傳統(tǒng)石墨電池快10倍的充電速度?！边@家總部位于加州歐文的公司正在研發(fā)一款采用硅陽(yáng)極的下一代鋰離子電池，該公司獲得了1.11億美元的資金，其中包括韓國(guó)電池公司LG化學(xué)去年的一筆投資。
Rango表示，Enevate的電池研發(fā)工作已經(jīng)進(jìn)行了10年，距離該技術(shù)的首次商業(yè)應(yīng)用大約還有一年半的時(shí)間，最有可能是在電動(dòng)自行車(chē)和小型摩托車(chē)上。
不過(guò)，硅負(fù)極電池有一個(gè)潛在的缺點(diǎn)：硅材料膨脹，這意味著每次充電都會(huì)導(dǎo)致電池變質(zhì)。
Berdichevsky和Rango都表示，他們各自的公司已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。蘭戈表示：“硅確實(shí)存在膨脹現(xiàn)象，這一直是該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一?！?
“在我們的電池中，我們已經(jīng)能夠控制膨脹。我們的電池規(guī)格符合電動(dòng)汽車(chē)的要求。這種電池在充電和放電1000次后，充電率可以達(dá)到80%?！?
這些初創(chuàng)企業(yè)的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程表明，推動(dòng)電池技術(shù)的發(fā)展是多么困難。雖然電動(dòng)汽車(chē)系列的改進(jìn)肯定是更好的電池的主要影響之一，但目前鋰離子電池的后續(xù)產(chǎn)品很可能在更小的產(chǎn)品中找到。
伯迪舍夫斯基說(shuō)：“這是必須要發(fā)生的技術(shù)變革。在現(xiàn)有電池的150年里，已經(jīng)有四種與商業(yè)相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入市場(chǎng)。每次使用這些新的化學(xué)試劑，轉(zhuǎn)變會(huì)變得更難?！?
