電池先驅(qū)惠廷厄姆說(shuō)：“我們只懂了點(diǎn)皮毛”。隨著世界為擺脫對(duì)化石燃料依賴(lài)做出的每個(gè)努力，電池很可能在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹?lái)越重要的角色，其中鋰電池更甚。
未來(lái)電池能與汽油的存儲(chǔ)能力競(jìng)爭(zhēng)嗎?
三年前，科學(xué)記者福哈德˙曼約奧(Farhad Manjoo)給美國(guó)網(wǎng)絡(luò)雜志寫(xiě)了篇文章，稱(chēng)“更好的電池將拯救世界”，然而副標(biāo)題卻“反駁”大標(biāo)題的說(shuō)“太糟糕了，不可能做到”。盡管當(dāng)時(shí)汽車(chē)領(lǐng)域剛剛推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛蘭Volt，并發(fā)布了大量新型混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)，從箱型經(jīng)濟(jì)車(chē)到兩款豪華的混合型保時(shí)捷。
曼約奧和其他人預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題是多方面的：(1)汽車(chē)電池非常昂貴;(2)“能源密度”(單位重量含能源的數(shù)量)似乎比汽油還相差甚遠(yuǎn);(3)也許有危險(xiǎn)——電池的新興關(guān)鍵材料鋰本身不穩(wěn)定，在空氣中化為粉末。一個(gè)問(wèn)題是潮濕可能發(fā)生爆炸。另一問(wèn)題是這種材料被“隔絕”，有可能發(fā)生“熱擊穿”——快速加熱直至著火。所以，重要的是鋰要保持冷卻和干燥。
但最后這個(gè)警告恰好是鋰為何成為有吸引力電池材料的原因：它危險(xiǎn)的能源是巨大優(yōu)勢(shì)。因此，電池技術(shù)方面有個(gè)寂靜的鋰“沖刺”，一直并繼續(xù)在真正地進(jìn)步。近幾年由于電池的進(jìn)步，化石燃料汽車(chē)成為“審美”選擇，不是經(jīng)濟(jì)的必要。我們的城市電網(wǎng)將變得更復(fù)雜，也更可預(yù)測(cè)、可靠和經(jīng)濟(jì)。
電池沖擊
汽車(chē)電池從鉛酸轉(zhuǎn)向鋰電池，鎳鎘手電筒轉(zhuǎn)向手持鋰離子設(shè)計(jì)，電池變得更加高效。沒(méi)有鋰離子電池，幾乎一定不會(huì)有現(xiàn)在的“手機(jī)社會(huì)”。但走近大型設(shè)備如交通工具和電站之類(lèi)、能拯救我們能源消費(fèi)生命的場(chǎng)所，到處充斥曾經(jīng)選定的優(yōu)勝者如A123系統(tǒng)及其贊助商、菲斯卡爾業(yè)力(Fiskar Karma)汽車(chē)、莫里能源、Avestor、曾經(jīng)給通用車(chē)隊(duì)提供動(dòng)力的Envia，全都虧損數(shù)百萬(wàn)并且勉強(qiáng)逃離起跑柵門(mén)。
如果說(shuō)有人理解電池革命面臨的挑戰(zhàn)的話(huà)，那正是此人在上個(gè)世紀(jì)70年代末為埃克森(Exxon)石油公司發(fā)明鋰離子電池拉開(kāi)了應(yīng)戰(zhàn)的帷幕。正是史丹尼˙惠廷厄姆(M.Stanley Whittingham)，現(xiàn)在紐約州北部賓漢噸大學(xué)的化學(xué)教授曾預(yù)言，“10年內(nèi)，每輛車(chē)都會(huì)是混合動(dòng)力或電動(dòng)車(chē)?！?
他認(rèn)為有許多理由持樂(lè)觀態(tài)度。舉例說(shuō)，大量資源正投入制造更好電池的技術(shù)挑戰(zhàn)，從剛起步的小型電腦公司和專(zhuān)科學(xué)院到供應(yīng)充足的大學(xué)如哈佛和斯坦福的實(shí)驗(yàn)室，還有美國(guó)主要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，包括阿貢、勞倫斯利弗莫爾和圣地亞，以及德國(guó)、荷蘭、法國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)大公司的實(shí)驗(yàn)室。
還有清晰而迫切降低人類(lèi)發(fā)射溫室氣體的需要。取代化石燃料能源，電池將發(fā)揮很大作用。消費(fèi)者顯然需要可再生能源：例如電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售正在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
更好的電池提供兩個(gè)大獎(jiǎng)項(xiàng)：首先是負(fù)擔(dān)得起的電動(dòng)汽車(chē)，它是我們未來(lái)“移動(dòng)社會(huì)”的支柱;其次是更靈活、分散的電力網(wǎng)，因?yàn)橄冗M(jìn)的固定式電池將以更低的價(jià)格保持我們家庭和工廠的電力供應(yīng)。
結(jié)束“里程”焦慮
最初提議的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)是適度的，每次充電驅(qū)動(dòng)里程在40-100英里(高價(jià)的特斯拉公司的電動(dòng)汽車(chē)額定265英里除外)，而且只在理想的條件下。然而，不久之后的第二代就能達(dá)到200英里。韓國(guó)大公司樂(lè)金化學(xué)(LGChem)給雪佛萊Volt和福特Focus供應(yīng)電池組，據(jù)報(bào)道其更新的鋰離子設(shè)計(jì)將于2016年使這些汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程達(dá)到200英里。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)公司主席和主要股東伊隆˙馬斯克(ElonMusk)說(shuō)，今年8月他的公司就在致力于新電池，要把公司汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程提升到500英里。
與此同時(shí)，電池的成本在下降。研究公司法維翰(Navigant)指出，五年前筆記本電腦電池的價(jià)格約為每千瓦-時(shí)1000美元，現(xiàn)今“價(jià)格接近每千瓦-時(shí)250美元”。2012年7月麥肯錫咨詢(xún)公司(McKinsey˙Company)報(bào)道說(shuō)，到2025年汽車(chē)用先進(jìn)鋰離子電池的價(jià)格將會(huì)從2011年的每千瓦-時(shí)500美元降到每千瓦-時(shí)160美元。法維翰公司說(shuō)，到2020年電池的交易額將從今天的120億美元上升到750億美元。
不久的將來(lái)，電池汽車(chē)將在成本上與汽油動(dòng)力汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。馬斯克曾說(shuō)，電池動(dòng)力的“圣杯”是每公里-時(shí)100美元，他預(yù)料在“五到七年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。特斯拉公司正在與日本松下公司共同努力在內(nèi)華達(dá)州斯伯克斯建造50億美元的“電池工廠”，制造先進(jìn)電池，規(guī)模上有利可圖。預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)電池組，使全世界鋰離子電池產(chǎn)量翻番。
電池有三個(gè)基本部件：兩個(gè)電極，陽(yáng)極(帶負(fù)電荷)和陰極(帶正電荷)，以及中間的電解液(或俗稱(chēng)電池液)。發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)，閉合電池回路(也就是接通燈開(kāi)關(guān))，電子從陽(yáng)極流出，通過(guò)電解液流入陰極，流過(guò)燈泡做功。離子流的方向相反。最終結(jié)果是中性狀態(tài)，電池或者被廢棄，或者再充電。
現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)電池可再充電，而且用某種形態(tài)的鋰作為一個(gè)電極，鈷或碳作為另一個(gè)電極，氧化鋁作為電解液。但研究人員渴望下一件“大事”是探索在電池技術(shù)上取得“從爬行到?jīng)_刺”的進(jìn)展。某些重大進(jìn)步展示出成功的希望，能源密度約為鋰離子的三到五倍，按照理論上鉑金標(biāo)準(zhǔn)，作為汽車(chē)的燃料甚至超過(guò)汽油。
最大膽的概念是鋰-空氣，擺脫傳統(tǒng)金屬作為陰極，用碳取而代之，徹底改造電池，抽取空氣中的氧原子代替電解液中的氧化物。麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)提出納米絲構(gòu)成的陰極。這是一種非常微小、用單個(gè)原子建成的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是由基因變異病毒制造的。這是個(gè)非常棘手的材料，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)證實(shí)比典型的鋰離子電池容量高二倍，而且再充電更快。
隨著電池化學(xué)的進(jìn)展，類(lèi)似這樣的新材料將成為關(guān)鍵。石墨烯即超薄(只有原子寬度那么厚)的單層碳，最初由兩個(gè)俄羅斯科學(xué)家2003年在曼徹斯特大學(xué)制造(而且為此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))并開(kāi)發(fā)為電極物質(zhì)。它的堅(jiān)強(qiáng)、柔韌和傳導(dǎo)性令人驚訝，也能大規(guī)模便宜地制造，網(wǎng)上訂貨，每克5美元。在電池內(nèi)，它能急劇減少充電時(shí)間，增大儲(chǔ)能容量。出自西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、總部在美國(guó)密歇根州的XG科學(xué)和SciNode系統(tǒng)二者都在致力研究石墨烯電池。據(jù)SciNode說(shuō)，它的陽(yáng)極能提供比常規(guī)碳高三倍或更大的儲(chǔ)存容量。
另一有希望的變種是鋰-硫設(shè)計(jì)，用便宜的硫替代高價(jià)鈷，而且提供極高的能源密度。伯克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家曾提出一種設(shè)計(jì)，使鋰離子電池的能源密度加倍，潛在的成本低到每千瓦-時(shí)100美元。還需要做更多的研究，但這種方法非常誘人，據(jù)說(shuō)能挫敗汽油。
此外，鐵-磷酸鹽的設(shè)計(jì)完全不需要鋰。在中國(guó)，汽車(chē)制造巨人比亞迪(BYD)汽車(chē)公司曾把E6即鐵-磷酸鹽電池供電的出租車(chē)投入市場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)里程185英里。它基于BYD稱(chēng)之為Fe(鐵元素符號(hào))的電池。比亞迪“秦”是混合動(dòng)力車(chē)，最大功率輸出223千瓦，比特斯拉S型略低。據(jù)公司測(cè)試，10000次充放電循環(huán)后，F(xiàn)e電池仍然保持其容量的70%。那是27年的日常再充電。
堅(jiān)持下去，“到天明”
與此同時(shí)，我們可能正接近“固定式儲(chǔ)能”的黃金時(shí)代。無(wú)需移動(dòng)的電池沒(méi)有重量要求，意味著開(kāi)發(fā)商能用較重、不那么獨(dú)特和更便宜的材料。這樣的電池提供后備電源使電網(wǎng)更可靠，而且避開(kāi)峰值能源成本尖峰，搜集非峰值期可再生的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板能源，因而價(jià)格低廉。
這種設(shè)計(jì)傾向反映對(duì)汽車(chē)所做的工作，但也有顯著的例外?？偛吭O(shè)在匹茲堡的阿奎昂能源(AquionEnergy)公司專(zhuān)門(mén)研究微電網(wǎng)、局部完整電源解決方案，包括邊遠(yuǎn)地區(qū)太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他可再生能源發(fā)電。它的先進(jìn)電池成本大約等同老式鉛酸蓄電池，但持續(xù)時(shí)間翻了一番。
在在麻省理工學(xué)院(MIT)，唐納德˙薩杜威(Donald Sadoway)和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的固態(tài)電池。據(jù)他們說(shuō)，很容易按照比例放大。材料普通而且價(jià)廉，但設(shè)計(jì)是徹底創(chuàng)新的：完全保持液態(tài)，加速電子和離子交換，而且電池自身保持在高溫下，依靠嚴(yán)格保溫保持350℉或更高，但仍以75%的效率生產(chǎn)能源，比內(nèi)燃機(jī)高一倍多。總部設(shè)在劍橋的AMBRI(原來(lái)的液態(tài)金屬電池公司)正在制造這種電池，據(jù)說(shuō)這種電池將延續(xù)幾十年，性能幾乎沒(méi)有下降，即使完全放電，預(yù)計(jì)10000次循環(huán)容量仍為98%。這是巨大的成功。明年原型機(jī)發(fā)往四個(gè)州做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
此時(shí)的訣竅是與地方電力公司競(jìng)爭(zhēng)費(fèi)率，這種地方還沒(méi)有先進(jìn)的電池。如果只做“調(diào)峰”，在峰值需求期間給電網(wǎng)添加額外電力，此時(shí)的費(fèi)率可能加倍甚至三倍(通常在午后)，地方會(huì)很快親自付款。
當(dāng)然，還有很長(zhǎng)的路要走。正如電池先驅(qū)惠廷厄姆所說(shuō)，“我們只懂了點(diǎn)皮毛”。隨著世界為擺脫對(duì)化石燃料依賴(lài)做出的每個(gè)努力，電池很可能在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹?lái)越重要的角色，也許有助于拯救地球。
原標(biāo)題:電池將拯救世界
