中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池續(xù)航力的提升決定著電動(dòng)汽車(chē)的命運(yùn)，科研人員在追求化學(xué)與材料的新發(fā)現(xiàn)，車(chē)企與電池供應(yīng)商在合力降低成本增加能量。在不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)中，替代鋰離子化學(xué)成分的各種研究大量投入，有一些成為了熱門(mén)應(yīng)用和解決方案。
一、五大電池技術(shù)商業(yè)前景可期
1.麻省理工學(xué)院：半固態(tài)鋰液流電池
美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員與一家名為24M的衍生公司合作，開(kāi)發(fā)出一種制造鋰離子電池的先進(jìn)工藝：半固態(tài)鋰液流電池，不僅有望顯著降低生產(chǎn)成本，還能提高電池性能，使其更易于回收。
24M公司的創(chuàng)始人是麻省理工學(xué)院教授、A123電池公司前創(chuàng)始人之一蔣業(yè)明。蔣業(yè)明這個(gè)名字在電池界很知名，在全球材料科學(xué)家中排名66位。算是電池行業(yè)的世界頂級(jí)專(zhuān)家。他除了搞磷酸鐵鋰電池以外，還與同事于5年前提出了“半固態(tài)液流電池”概念，這些年他一直在做商用努力。
人們不斷尋找正極和負(fù)極材料，提升能量密度，干電池、鎳鎘電池還是鋰電池，無(wú)論材料怎么升級(jí)，傳統(tǒng)電池對(duì)活性物質(zhì)的利用率很低，能夠產(chǎn)生電能的物質(zhì)被包裹在必須的非活性物質(zhì)之中。在常見(jiàn)的鋰電池里面，鋰材料只含電池重量的2%左右，這些非活性物質(zhì)增加了電池成本，降低了活性物質(zhì)的利用率。因?yàn)閭鹘y(tǒng)電池的這些弱點(diǎn)，誕生了液流電池。液流電池可以視為一個(gè)獨(dú)立的大電池，正負(fù)極電解液分別存放，集中反應(yīng)產(chǎn)生電能。這樣無(wú)需昂貴的附加材料，可以大大提升效率。
既然液流電池這么好，效率這么高，為什么還沒(méi)有被廣泛采用呢？因?yàn)橐毫麟姵氐娜秉c(diǎn)也很多。目前液流電池的濃度有限制，雖然理論上效率比傳統(tǒng)電池要高，但是溶液濃度低、能量密度和功率密度并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，價(jià)格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上裝溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加裝置，液流電池整個(gè)系統(tǒng)綜合算下來(lái)效能就更差。
所以，蔣業(yè)明開(kāi)發(fā)出來(lái)了半固態(tài)鋰液流電池。這種液流電池不用溶液，用細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因?yàn)檫@種泥漿的能量密度可以做的比溶液高，于是液流電池的大容量?jī)?yōu)勢(shì)就有了，在蔣業(yè)明在麻省理工寫(xiě)論文的時(shí)候，他的半固態(tài)液流電池的能量已經(jīng)可以達(dá)到500WH/L。
這種電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。電極是細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束泥漿流，一束帶正電，一束帶負(fù)電，兩束泥漿都通過(guò)鋁集電器和銅集電器，兩個(gè)集電器之間有一個(gè)能透水的膜。當(dāng)兩束泥漿通過(guò)膜時(shí)，會(huì)交換鋰離子，導(dǎo)致電流在外部流動(dòng)。為了重新給電池充電，只需要施加電壓讓離子后退穿過(guò)膜即可。這樣，它的正極負(fù)極的材料利用率比傳統(tǒng)電池高的多，只要一層膜就夠了，用的各種材料也比傳統(tǒng)電池便宜的多。而且，半固態(tài)鋰液流電池可以做成柔性的(可以想象成塑料袋包著兩團(tuán)泥漿)，不僅可彎曲、折迭，即使被子彈穿過(guò)也不會(huì)受損，安全性耐用性都有很大優(yōu)勢(shì)。
理論上，半固態(tài)鋰液流電池的能量密度更高，價(jià)格更低，更安全，具有美好的前景。但是，這種東西的原理和結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在的電池完全不同，生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)工藝這些東西都得從頭摸索。于是，這些年蔣業(yè)明的24M公司就一直在做從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的事情，解決新結(jié)構(gòu)電池量產(chǎn)中遇到的各種問(wèn)題，逐漸形成了一條手工生產(chǎn)線(xiàn)。到后來(lái)，他們手動(dòng)生產(chǎn)一塊手機(jī)電池大小的單元只需6分鐘。經(jīng)過(guò)摸索，團(tuán)隊(duì)對(duì)生產(chǎn)工藝反復(fù)改進(jìn)，最終打造出了工業(yè)化生產(chǎn)平臺(tái)，讓電池的能量密度和生產(chǎn)速度都發(fā)生了質(zhì)的變化。
24M公司已經(jīng)在原型生產(chǎn)線(xiàn)制造了約10000塊這樣的電池，部分正在接受3個(gè)工業(yè)合作伙伴的測(cè)試，包括泰國(guó)的一家石油公司和日本重型設(shè)備制造商IHI株式會(huì)社。新工藝已獲得8項(xiàng)專(zhuān)利，另有75項(xiàng)專(zhuān)利正在接受評(píng)審。下一步，蔣業(yè)明準(zhǔn)備啟動(dòng)第三輪融資，新的資金將用于研發(fā)一種機(jī)器，能在2-10秒內(nèi)產(chǎn)出一個(gè)電芯。這說(shuō)明，半固態(tài)液流電池已經(jīng)到了大規(guī)模測(cè)試階段了，這個(gè)階段過(guò)了就是大規(guī)模量產(chǎn)了。
液流電池的成本優(yōu)勢(shì)、安全優(yōu)勢(shì)、容量?jī)?yōu)勢(shì)，在我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、平板上并不突出。反而，這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車(chē)與家庭儲(chǔ)能的絕配。電動(dòng)汽車(chē)一旦用上這種電池，價(jià)格立即就能平易近人，續(xù)航里程也會(huì)更長(zhǎng)，而且這種電池更安全，不怕普通的碰撞，這對(duì)電動(dòng)車(chē)的安全性很有好處。
半固態(tài)鋰液流電池也許真的能鬧一場(chǎng)電池革命，也許只要3-5年，電動(dòng)汽車(chē)的世界就會(huì)完全不同。
2.nanoFLOWCELL：液流電池可續(xù)航1000公里
在3月5日開(kāi)幕的第85屆日內(nèi)瓦車(chē)展上，中歐小國(guó)列支敦士登的nanoFLOWCELL不僅帶來(lái)續(xù)航800公里的QUANTF電動(dòng)超跑，除了酷炫的外表，最大亮點(diǎn)就是采用了鋰離子液流電池作為性能電動(dòng)超跑的推動(dòng)力，續(xù)航里程高達(dá)800公里。第一輛原型車(chē)最早將在2015年上路行駛。
液流電池將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各個(gè)方面相結(jié)合，相比為當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的鋰離子電池技術(shù)而言，其性能高出4倍。新型液流電池除了在價(jià)格和行駛里程上具有顯著優(yōu)勢(shì)外，還比目前汽車(chē)上使用的電池更加安全，更容易融入汽車(chē)設(shè)計(jì)中去。
液流電池將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各個(gè)方面相結(jié)合。液體電解質(zhì)存在于兩個(gè)電池倉(cāng)中并經(jīng)過(guò)電池流通。系統(tǒng)中心有一層隔膜將兩個(gè)電解質(zhì)解決方案分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動(dòng)力系統(tǒng)制造動(dòng)力。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一在于其采用體積較大的電池倉(cāng)，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50A額定電流下，該系統(tǒng)能不斷輸出30千瓦的最大功率。相比為當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的鋰離子電池技術(shù)而言，性能高出4倍，也就是說(shuō)它的可行駛里程是同等重量傳統(tǒng)元件的5倍。
QUANTF原型車(chē)中搭載了體積為200升的電池倉(cāng)，儲(chǔ)容量為120千瓦時(shí)。該車(chē)在低負(fù)載條件下，百公里能耗約為20千瓦時(shí)。公司表示，今后有望將電池倉(cāng)的體積擴(kuò)充至800升。車(chē)內(nèi)配備了4臺(tái)持續(xù)功率為120千瓦、峰值功率為170千瓦的電機(jī)，可通過(guò)扭矩分配實(shí)現(xiàn)四驅(qū)駕駛，也能作為車(chē)內(nèi)兩個(gè)超級(jí)電容器的備用能量?jī)?chǔ)蓄裝置。每個(gè)車(chē)輪單獨(dú)峰值扭矩可達(dá)到2900牛˙米。百公里加速耗時(shí)僅需驚人的2.8秒。
3.Sakti3固態(tài)電池技術(shù)突破電動(dòng)車(chē)?yán)锍谭吨两?00公里
座落在美國(guó)密歇根州第六大城市安娜堡的鋰電池初創(chuàng)公司Sakti3近日獲得了英國(guó)家電巨頭戴森(Dyson)1500萬(wàn)美元的投資，這家專(zhuān)門(mén)從事鋰電池研發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司手中握有一項(xiàng)絕技，那就是Sakti3研發(fā)的電池能量密度達(dá)到每升1000瓦時(shí)，這是目前普通鋰電池的兩倍，智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)的電池性能將因此大大提高。
Sakti3的神秘電池使用了新型材料和生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，他們聲稱(chēng)可以存儲(chǔ)每升1000瓦時(shí)，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程能從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環(huán)保，而且比有些標(biāo)準(zhǔn)更安全。這項(xiàng)技術(shù)棄用了傳統(tǒng)鋰電池中的可燃液體電解質(zhì)，通過(guò)其高能存儲(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，最重要的是，它的價(jià)格更低，每千瓦時(shí)約100美元，要遠(yuǎn)低于目前200到300美元的市價(jià)，未來(lái)能夠應(yīng)用于受限于成本和里程限制的電動(dòng)汽車(chē)。
目前，Sakti3的鋰電池技術(shù)在處于研發(fā)階段，距離商品化還需要“數(shù)年”。很多電池初創(chuàng)公司都在努力將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化成真實(shí)商品，但是一直也沒(méi)有重大突破，部分原因在于他們的原型產(chǎn)品是定制的，需要使用昂貴的制造技術(shù)，難以批量生產(chǎn)。而Sakti3的原型產(chǎn)品則采用了標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過(guò)完善升級(jí)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能很大。
4.大眾汽車(chē)：電池成本下降能量密度提高
大眾汽車(chē)集團(tuán)首席執(zhí)行官馬丁·文德恩(MartinWinterkorn)日前透露，公司正在開(kāi)發(fā)“超級(jí)電池”(Super-battery)，可大幅提升電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程，當(dāng)下接近在新電池技術(shù)上取得突破。
文德恩在接受德國(guó)媒體采訪(fǎng)時(shí)表示：大眾正在加利福尼亞州硅谷研發(fā)一款超級(jí)電池，新電池價(jià)格更低，體積更小，動(dòng)力更強(qiáng)勁。一款電動(dòng)版大眾品牌車(chē)型(在搭載超級(jí)電池后)純電動(dòng)續(xù)航里程有望達(dá)到300公里(186英里)。
那么，大眾將采用何種技術(shù)大幅提升電池能量密度？并且顯著改善電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程？目前焦點(diǎn)主要聚集在現(xiàn)有鋰離子電池升級(jí)版解決方案，以及較新穎的固態(tài)電池技術(shù)兩個(gè)方向。
在成本降低方面，大眾汽車(chē)品牌董事會(huì)成員主管研發(fā)業(yè)務(wù)的Heinz-JakobNeusser透露，目前正計(jì)劃統(tǒng)一電池組規(guī)格，希望未來(lái)所有的電氣化車(chē)輛可以轉(zhuǎn)向單一的鋰離子電池單元設(shè)計(jì)。統(tǒng)一規(guī)格必然將會(huì)帶來(lái)成本的下降，目標(biāo)是通過(guò)簡(jiǎn)化電池單元設(shè)計(jì)降低66%的電池成本。
5.LGChem電池新技術(shù)讓電動(dòng)車(chē)能跑500公里
韓國(guó)電池巨頭LGChem宣布開(kāi)發(fā)出新技術(shù)，電動(dòng)車(chē)充電一次可行駛400-500公里，里程加倍，預(yù)計(jì)2017年就能量產(chǎn)。
目前，一般電動(dòng)車(chē)充電后僅能行駛不到200公里。LGChem副會(huì)長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官樸鎮(zhèn)洙(ParkJin-soo)表示，該公司已研發(fā)出新技術(shù)，電動(dòng)車(chē)行駛里程能增至400-500公里，產(chǎn)品不久就將投產(chǎn)，但是拒絕透露更多細(xì)節(jié)。而LGChem動(dòng)力電池事業(yè)部掌門(mén)人PrabhakarPatil近日接受外媒專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)預(yù)計(jì)，2017年LG化學(xué)會(huì)再次取得重大技術(shù)突破，這比他原來(lái)預(yù)期的快，“到2017年或2018年，3萬(wàn)美元、續(xù)航200英里(約321公里)的電動(dòng)汽車(chē)將成為商業(yè)化主流產(chǎn)品?！彪m然通用汽車(chē)公司還沒(méi)有證實(shí)即將推出的2017款雪佛蘭BOLT純電動(dòng)汽車(chē)是否會(huì)使用LG化學(xué)的電池，但業(yè)內(nèi)已普遍認(rèn)為會(huì)是這樣。
二、無(wú)法商業(yè)化為何電池技術(shù)就是沒(méi)有突破？
如果你想要一款加速度體驗(yàn)良好的車(chē)，特斯拉ModelS絕對(duì)能滿(mǎn)足你。當(dāng)然，像這樣的電動(dòng)車(chē)不僅能夠帶來(lái)良好的駕駛體驗(yàn)，相比較于傳統(tǒng)汽油車(chē)，它也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。但是，從電動(dòng)車(chē)誕生至今，它都只是占了很小一部分市場(chǎng)份額。主要的原因是電動(dòng)車(chē)的電池昂貴而且需要經(jīng)常充電?？墒?，為什么電池性能一直以來(lái)都不見(jiàn)起色？
在過(guò)去的數(shù)年中，有無(wú)數(shù)的電池技術(shù)研究取得突破性的進(jìn)展，但是這些當(dāng)中，鮮少能夠被商業(yè)所使用，兌現(xiàn)低成本和多容量的承諾。比如成立于2001年的鋰離子電池初創(chuàng)公司A123Systems，曾宣稱(chēng)，能將鋰離子電池的磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級(jí)超小顆粒，因顆粒和總表面面積劇增而大幅提電池的放電功率，而且，整體穩(wěn)定度和循環(huán)壽命皆未受影響。但最終于2012年以失敗告終。原因是，不能夠量產(chǎn)它所描述的那些鋰電池，也不能安全有效地轉(zhuǎn)換電量。
2012年，位于美國(guó)加州的電池公司EnviaSystems在華盛頓重大的會(huì)議上宣稱(chēng)，研發(fā)出能量密集型電池，單位重量的鋰電池儲(chǔ)存能量是目前電池的兩倍，而且成本降低一半。通用汽車(chē)一聽(tīng)說(shuō)能研發(fā)如此高能電池的Envia，馬上向其投資了700萬(wàn)美元，希望在電動(dòng)車(chē)業(yè)務(wù)上進(jìn)行合作。到了2013年，Envia都沒(méi)有兌現(xiàn)它所宣稱(chēng)的“驚人效果”，導(dǎo)致失去資助資金以及通用汽車(chē)公司的合作伙伴關(guān)系。另外，這家公司也受到美國(guó)高級(jí)能源研究計(jì)劃署ARPA-E的重視。只能說(shuō)，Envia令人印象深刻的電池讓人興奮也讓人落空。
事實(shí)上，在電池行業(yè)中，由于電池技術(shù)的高門(mén)檻，初創(chuàng)公司難以單獨(dú)存活。因此，電池行業(yè)一般都是由大公司主導(dǎo)。A123Systems前高管AndyChu說(shuō)：能量存儲(chǔ)是一個(gè)“大頭”玩的游戲，因?yàn)樵谘邪l(fā)電池中稍有不慎將會(huì)鑄成錯(cuò)誤。雖然我希望電池初創(chuàng)公司最終會(huì)取得成功，但通過(guò)這幾年的歷史，(大家都可以看見(jiàn)，這些公司的)下場(chǎng)都不太好。
在過(guò)去的十年里，我們見(jiàn)證了電池行業(yè)“突破性”的進(jìn)展，但是這些都是來(lái)自大公司的一些穩(wěn)定小進(jìn)步。
Envia的電池是一種新型的鋰離子電池，發(fā)明于70年代末80年代初，商業(yè)運(yùn)用于90年代。它們變成一種便攜式電池，被人們用于電動(dòng)車(chē)上。
早在90年代，通用汽車(chē)在其電動(dòng)車(chē)EV-1上使用廉價(jià)的鉛酸蓄電池，不僅車(chē)輛行駛的里程數(shù)較少，車(chē)上的鉛酸蓄電池也十分笨重。
到了2008年，特斯拉引進(jìn)鋰離子電池的電動(dòng)車(chē)，雖然里程數(shù)比EV-1多了，但是價(jià)格昂貴。于是，有汽車(chē)制造商如日產(chǎn)汽車(chē)和通用汽車(chē)為了降低價(jià)格，打造出里程數(shù)少的電動(dòng)車(chē)，其實(shí)主要減少電動(dòng)車(chē)的鋰離子電池。
如果改變了電池中的某一部分比如引進(jìn)一個(gè)新電極，所帶來(lái)的的問(wèn)題是難以預(yù)見(jiàn)的。有些問(wèn)題甚至需要幾年時(shí)間才能檢測(cè)到。當(dāng)年，為了達(dá)到投資者和ARPA-E的期望，Envia不是融合了一種電極材料而是兩種實(shí)驗(yàn)性的電極材料進(jìn)行研發(fā)。(其實(shí)，Envia還是蠻拼的，只不過(guò)，事情的結(jié)果就這樣罷了)在2006年，Envia授權(quán)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ANL的研究人員研發(fā)一種很有前景的電池材料，但是，一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題出現(xiàn)了：隨著時(shí)間的推移，電池的電壓改變后，它就無(wú)法使用了。盡管ANL的研究人員深入研究這個(gè)問(wèn)題，但原因仍無(wú)法無(wú)法得知。除了這個(gè)，Envia還面臨一個(gè)挑戰(zhàn)：基于硅的電池電極問(wèn)題。研究人員看似解決了這個(gè)問(wèn)題：提出一套無(wú)法在實(shí)際中操作的解決方案。這讓Envia的研究人員們感到十分奔潰。
但是隨著時(shí)間的推移，以上這些大大小小的問(wèn)題都差不多解決的時(shí)候，Envia發(fā)現(xiàn)，電池中復(fù)合材料的微小變化都會(huì)改變整個(gè)電池的性能。當(dāng)然，Envia認(rèn)為最終不能實(shí)現(xiàn)驚人效果的結(jié)果，是因?yàn)樗麄兊碾姵夭牧瞎?yīng)商中有某些污染材料。當(dāng)然，這個(gè)污染來(lái)自哪里是什么，似乎也沒(méi)有人知道。
其實(shí)，Envia的故事很鮮明告訴大家，電池的進(jìn)展包括性能與成本，不是來(lái)自突破性技術(shù)，而是來(lái)自像特斯拉與其電池供應(yīng)商松下的密切合作關(guān)系。自從08年以來(lái)，特斯拉的電池成本降低一半，電容量增加60%。特斯拉并沒(méi)有刻意去改變電池的化學(xué)或者材料，而是提高制造效率和改進(jìn)生產(chǎn)。還與松下一起根據(jù)汽車(chē)的需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姵貎?yōu)化。
雖然很難想象特斯拉在鋰離子電池上進(jìn)行微調(diào)整獲得持續(xù)性的發(fā)展，因?yàn)殇囯x子電池的進(jìn)步空間并不十分“寬敞”?；蛟S到最終需要像Envia這樣徹底整改，才能獲取電池的跨越性進(jìn)步。不過(guò)，至少Envia告訴我們，提高電池性能必須要密切結(jié)合制造業(yè)和工程技術(shù)，要生產(chǎn)實(shí)際使用的產(chǎn)品。
雖然以上內(nèi)容看似在回顧Envia的歷史，但是這也是電池發(fā)展的一個(gè)縮影。近二十多年來(lái)，科技飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)從電子管元件時(shí)代演變成今天的超大規(guī)模集成電路，往日笨拙巨大的計(jì)算機(jī)如今小到能裝進(jìn)我們的口袋中。而電池，更像一個(gè)后進(jìn)生，遲遲不能跟上發(fā)展的步伐?；蛟S也正是以上這些原因造成現(xiàn)在的局面。
三、手機(jī)電池貌似提高很快，動(dòng)力電池呢？
消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)(筆記本、手機(jī)、MP3等)作為鋰離子電池(下稱(chēng)鋰電池)最早的“東家”，為鋰電池的推廣做出了巨大的貢獻(xiàn)。今天，智能手機(jī)大行其道，電池再一次成為了制約智能手機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。這與如今的新能源汽車(chē)市場(chǎng)有幾分相似。
對(duì)于電池能量密度的描述，一般有質(zhì)量比能量和體積比能量?jī)煞N說(shuō)法。所謂質(zhì)量比能量，就是每kg電池所攜帶的能量的多少，比如動(dòng)力電池市場(chǎng)，多是以質(zhì)量比能量去描述的。所謂體積比能量，一般指電池單位體積下所承載的能量的數(shù)量。目前主流手機(jī)電池的容量在2000~3000mAH，這樣的容量的電池，其質(zhì)量往往只有幾十克，所以在移動(dòng)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)中，更關(guān)心的是電池的比體積能量。
日前，金立發(fā)布了一款名為M5的新手機(jī)，該手機(jī)具有超長(zhǎng)續(xù)航功能。金立認(rèn)為，手機(jī)續(xù)航，是國(guó)人使用智能手機(jī)的第一痛點(diǎn)，也是國(guó)民痛點(diǎn)。雖然在這個(gè)痛點(diǎn)上存在著一些爭(zhēng)議，但是我們還來(lái)看看這款手機(jī)的電池吧。電池容量高達(dá)6020mAH，電池由兩塊3010mAH的電芯并聯(lián)組成，能量密度達(dá)到650Wh/L左右。
從1991年，索尼發(fā)布了鋰離子電池之后，至今的20多年時(shí)間里，鋰離子的從本質(zhì)上并沒(méi)有什么變化。但盡管如此，也并非毫無(wú)創(chuàng)新，現(xiàn)在的鋰離子電池，無(wú)論是效率還是容量，相比之前都有很大的提高，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
如果我們反觀(guān)近十年手機(jī)電池的發(fā)展，我覺(jué)得大概可以分為三個(gè)階段。
第一個(gè)階段，鋰離子聚合物電池的興起。
傳統(tǒng)的鋰離子電池使用的是普通液態(tài)鋰電解質(zhì)，但是在2005年以后，聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池開(kāi)始嶄露頭角。相對(duì)于之前的液態(tài)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，聚合物鋰離子電池除了在電化學(xué)特性上更有優(yōu)勢(shì)外，更重要的，是塑型更加靈活，能讓電池做的更薄，體積利用率更高。
第二個(gè)階段，手機(jī)電池的穩(wěn)定期。
2010年以前，尤其是2007年以前，鋰離子聚合物電池的興起讓手機(jī)電池容量有了長(zhǎng)足的提高。但是隨著技術(shù)的成熟，電池比能量提高的速度開(kāi)始減緩。更重要的是，隨著電池能量的加大，安全問(wèn)題開(kāi)始浮現(xiàn)在我們眼前。很多廠(chǎng)家開(kāi)始著眼于提高電池的安全性指標(biāo)，在電池的外殼防護(hù)上下了一些功夫。雖然不能提升電池的能量密度，但是在長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，還是必要的。因?yàn)槟芰棵芏仍黾?，出現(xiàn)問(wèn)題的損失也會(huì)越大。第一電動(dòng)曾有文章說(shuō)1kg動(dòng)力電池等同于103gTNT，在不說(shuō)TNT的心理暗示作用，我覺(jué)得從能量的角度去考慮安全性是不夠全面的，要從能量的大小和能量的密度兩方面去考量。
第三個(gè)階段，手機(jī)電池的第二次能量密度提升。
到2013年以后，手機(jī)電池開(kāi)始有一次的提升了能量密度。這里面有材料的原因，電池廠(chǎng)家通過(guò)改善工藝，提高了材料的壓實(shí)密度，或通過(guò)其他的手段，讓電池的容量有了進(jìn)步。同時(shí)，即iPHONE之后，市場(chǎng)上越來(lái)越多的手機(jī)電池變得不可拆卸。通過(guò)電池和手機(jī)的“一體化”，省去了原來(lái)電池的硬殼保護(hù)，提升了電池的能量密度，或者根據(jù)電池結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)異型電池等。除此以外，更直接的一種方法，是提高電池的電壓。普遍的，通過(guò)將電壓平臺(tái)提高0.1V左右，提高電池的能量。這與前一段比亞迪的磷酸鐵錳鋰電池有異曲同工之妙。目前，主流的手機(jī)電池能量密度保持在600Wh/L左右，有些廠(chǎng)家的產(chǎn)品會(huì)稍微高一些，比如小米手機(jī)，電池能量密度在620Wh/L以上，還是這款金立手機(jī)，能量密度達(dá)到650Wh/L。使用的哪種手段，還請(qǐng)對(duì)號(hào)入座。曾有報(bào)道說(shuō)，當(dāng)能量密度達(dá)到700Wh/L的時(shí)候，可能使電池的可充分循環(huán)壽命小于300次，爆炸的隱患大大增加。
既然提高電壓有如此多的害處，為什么大家還要這么去做呢？這讓我想起了一個(gè)故事。以前圓珠筆和鋼筆的筆芯粗細(xì)度是一樣的，但是有一個(gè)問(wèn)題，就是圓珠筆書(shū)寫(xiě)2萬(wàn)字左右，就會(huì)出現(xiàn)漏油，主要原因就是筆珠的磨損壽命就在2萬(wàn)字左右，當(dāng)所有人都在研究耐磨材料的時(shí)候，有個(gè)叫田騰山郎的日本人，開(kāi)發(fā)了一款產(chǎn)品，就是讓筆芯的油墨在2萬(wàn)字之前用完。這與現(xiàn)在的手機(jī)電池的研發(fā)思路有相似之處。智能手機(jī)，已不再是當(dāng)年“用到壞”傳統(tǒng)手機(jī)，而是像電腦一樣，用一段之后，就需要更新升級(jí)。因此可能還沒(méi)到電池出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，手機(jī)已經(jīng)淘汰了。雖然我個(gè)人認(rèn)為，提高電池電壓平臺(tái)，實(shí)際上是一個(gè)比較冒險(xiǎn)的方式，對(duì)電池的穩(wěn)定性和壽命，都有著潛在的影響。但是目前看，適當(dāng)?shù)奶岣咭稽c(diǎn)電池的工作電壓，起碼市場(chǎng)對(duì)這種做法還是接受的。
在這還要報(bào)個(gè)料，在一篇外媒一個(gè)網(wǎng)站上，我讀到了這樣一篇文章。內(nèi)容是中國(guó)的藍(lán)魔，使用了能量密度超過(guò)800Wh/L的鋰電池，有興趣的讀者可以關(guān)注一下這個(gè)事情，以下是相關(guān)鏈接。
和動(dòng)力電池市場(chǎng)一樣，我們也看到了許多新的技術(shù)，比如美國(guó)發(fā)布的一篇納米電池的報(bào)道，通過(guò)電極結(jié)構(gòu)的納米孔，可以在12分鐘之內(nèi)將電池全部充滿(mǎn)；還有號(hào)稱(chēng)能實(shí)現(xiàn)更快速充電的“鋁電池”，可在一分鐘充滿(mǎn)電量；美國(guó)德雷賽爾大學(xué)的科學(xué)家，使用粘土，研制了一種高導(dǎo)電薄膜，這種稱(chēng)之為“MXene粘土”的材料，可以用于制作新一代大容量電池和超級(jí)電容器。
新的電池技術(shù)雖然是鼓舞人心的，但是任何的新技術(shù)，新材料都需要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程，才能成為商業(yè)的產(chǎn)品，比如鋰電池，最早的鋰電池的概念要追溯到上個(gè)世紀(jì)的六七十年代，之后液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池也是經(jīng)歷了十幾年發(fā)展，才有了今天的狀態(tài)。但是最近幾年智能手機(jī)硬件發(fā)生了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，小小的手機(jī)性能，可以與一臺(tái)個(gè)人電腦相媲美，這樣電池技術(shù)有點(diǎn)吃不消了。所以雖然手機(jī)續(xù)航不一定是國(guó)民痛點(diǎn)，但起碼也是短板之一。
很多人關(guān)心動(dòng)力電池和消費(fèi)級(jí)電池的區(qū)別。我覺(jué)得，從電池的角度來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別的。但是由于產(chǎn)品應(yīng)用條件不同，所以設(shè)計(jì)的理念和思路也是不同的，從而導(dǎo)致我們所看到不同領(lǐng)域電池的產(chǎn)品屬性，有很大區(qū)別。在消費(fèi)級(jí)電池領(lǐng)域，沒(méi)有五花八門(mén)的正極材料；而在動(dòng)力電池領(lǐng)域，也很少談到關(guān)于電解質(zhì)變化對(duì)性能的影響。在能量密度方面，比如我們都知道2015年2月16日，科技部發(fā)布了《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案(征求意見(jiàn)稿)》,其中明確要求了2015年底轎車(chē)動(dòng)力電池能量密度要達(dá)到200Wh/kg。作為消費(fèi)級(jí)電池來(lái)講，早在2013年，其能量密度就超過(guò)200Wh/kg的水平了，這不但與優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，高電壓的做法更是功不可沒(méi)。由于消費(fèi)級(jí)電池一般不成組使用，即使成組，也是幾支電池之間的串并聯(lián)，與動(dòng)力電池簡(jiǎn)直是數(shù)量級(jí)的差別；“BMS”直接管理電芯；充放電電流較??；熱管理也相對(duì)容易；一般來(lái)說(shuō)，消費(fèi)級(jí)電池質(zhì)保期也只有1年，所以這種做法是完全可以滿(mǎn)足消費(fèi)級(jí)電池市場(chǎng)的需求的。但是在動(dòng)力電池市場(chǎng)，可能就行不通了。動(dòng)力電池的要求，相對(duì)要高更加綜合，既有安全性的考慮，又有成本方面的評(píng)價(jià)，同時(shí)還有性能方面的要求。雖然在特斯拉身上，似乎完成了一次消費(fèi)級(jí)電池與新能源汽車(chē)的完美結(jié)合，但是車(chē)的定位和價(jià)格，和我們期望中家用級(jí)的新能源汽車(chē)還是有一定差距的。
磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰……各種正極材料沖擊能量瓶頸的同時(shí)，我想是不是應(yīng)該停下來(lái)考慮一下安全和其它的問(wèn)題。消費(fèi)市場(chǎng)，動(dòng)力市場(chǎng)，儲(chǔ)能市場(chǎng)，鋰離子電池是不是能解決所有的問(wèn)題。任何的電池可能都有他的適用環(huán)境。比如燃料電池，無(wú)論是作為新能源汽車(chē)的動(dòng)力單元，還是作為市政供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，其電池特性上都是非常合適的，但是與現(xiàn)有鋰離子電池體系相比，開(kāi)發(fā)小型燃料電池便攜設(shè)備可能使比較困難的。在高喊的技術(shù)突破的時(shí)候，更冷靜的考慮一下鋰離子電池的局限性。因?yàn)橹挥幸庾R(shí)到這些局限性，才有可能探索新的電池體系。當(dāng)然不得不承認(rèn)，隨著技術(shù)的推進(jìn)，將來(lái)發(fā)展具有更高能量密度，并且能滿(mǎn)足商業(yè)應(yīng)用需求的新的電池體系，而且要求新體系所使用的材料要求環(huán)境友好，成本低廉，材料易獲得，變得越來(lái)越困難了。因此，在發(fā)展鋰離子電池的同時(shí)，我呼吁要對(duì)那些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)但并未充分商業(yè)化的電池體系，投入更多的精力和資源。
四、電池成本降速比預(yù)期快3年內(nèi)將降到230美元/千瓦時(shí)
現(xiàn)在，電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格比普通燃油車(chē)貴很多，很多人認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入大眾汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)將永無(wú)出頭之日，雖然燃料和維保費(fèi)用能省不少，但是較高的初次購(gòu)買(mǎi)價(jià)格仍然會(huì)嚇跑不少消費(fèi)者。地球人都知道，電動(dòng)汽車(chē)就是貴在電池，但可喜可賀的是，國(guó)外一項(xiàng)最新研究稱(chēng)，鋰離子電池的成本價(jià)格一路在下降，而且速度比以前的預(yù)估要快。
據(jù)TheCarbonBrief報(bào)道，早在2013年，國(guó)際能源屬(IEA)曾經(jīng)預(yù)測(cè)，到2020年，電動(dòng)汽車(chē)電池成本將下降到300美元/千瓦時(shí)。然而，NatureClimateChange的研究人員認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)可能已經(jīng)提前達(dá)到了這一目標(biāo)，2007年至2014年之間，全行業(yè)平均成本從1000美元/千瓦時(shí)下降到410美元/千瓦時(shí)，平均每年下降14%。某些領(lǐng)先企業(yè)，例如日產(chǎn)和特斯拉已經(jīng)跨越了IEA預(yù)測(cè)的300美元/千瓦時(shí)屏障，去年起電池成本很可能已經(jīng)更便宜，價(jià)格可能比最近許多同行的評(píng)估低2至4倍，每年降幅為8%。
這項(xiàng)研究結(jié)果是基于同業(yè)評(píng)審學(xué)術(shù)刊物、機(jī)構(gòu)測(cè)算、咨詢(xún)和行業(yè)報(bào)告、媒體報(bào)道、電池廠(chǎng)商和汽車(chē)制造商等85個(gè)成本預(yù)測(cè)得出的。由于制造商不愿向公眾披露自己的真實(shí)成本，因此，前面所提到的數(shù)據(jù)不是完整的數(shù)據(jù)。
2014年，歐盟電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)年增率達(dá)到37%，但整體汽車(chē)市場(chǎng)份額不到1%，高價(jià)格、里程短和充電基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏是電動(dòng)汽車(chē)未能取得重大突破的原因。研究人員表示，隨著電動(dòng)車(chē)型不斷增加，消費(fèi)者的喜好度逐漸加強(qiáng)，電池成本將有進(jìn)一步的下跌空間。
100美元/千瓦時(shí)經(jīng)常被看作是電動(dòng)汽車(chē)能與普通燃油車(chē)進(jìn)行價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的基準(zhǔn)。為了追求削減成本，導(dǎo)致替代鋰離子化學(xué)成分的各種研究大量投入，例如大眾汽車(chē)集團(tuán)正在醞釀投資電動(dòng)汽車(chē)固態(tài)電池的研發(fā)。
研究人員預(yù)計(jì)，2017-18年，電池成本將會(huì)降到230美元/千瓦時(shí)。以美國(guó)為例，目前油價(jià)很低，預(yù)計(jì)電池成本只有低于250美元/千瓦時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格才能更有競(jìng)爭(zhēng)力。如果電池成本再進(jìn)一步跌破150美元/千瓦時(shí)，那么電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)就會(huì)發(fā)生量變，車(chē)輛技術(shù)也將因此發(fā)生潛在轉(zhuǎn)變。
要想達(dá)到上述水平，即使是在當(dāng)前的勢(shì)頭下，即使電池單體化學(xué)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多進(jìn)步，但電池成本價(jià)格的大幅下降也不可能在一夜之間發(fā)生。研究人員認(rèn)為，這些新的研究仍然很遙遠(yuǎn)，只有市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大更可能帶來(lái)成本的下降。
特斯拉汽車(chē)公司正在驗(yàn)證研究人員的論斷，當(dāng)位于內(nèi)華達(dá)州的Gigafactory超級(jí)電池工廠(chǎng)在2017年啟動(dòng)后，就會(huì)產(chǎn)生足夠大的市場(chǎng)規(guī)模，從而實(shí)現(xiàn)Model3電動(dòng)轎車(chē)35000美元的平民低價(jià)，這意味著電池成本將降低30%。另一方面，雷諾-日產(chǎn)也計(jì)劃在2016年實(shí)現(xiàn)可供150萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)使用的電池產(chǎn)能。
研究人員稱(chēng)，整體而言，在不久的將來(lái)，即使技術(shù)沒(méi)有出現(xiàn)大的突破，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也有可能推動(dòng)電池成本下降到200美元/千瓦時(shí)。如果這項(xiàng)研究的預(yù)測(cè)是正確的，那么電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展規(guī)?？赡軙?huì)超過(guò)預(yù)期，這是一件好事。
此外，根據(jù)《華盛頓郵報(bào)》刊登的不同電池成本估算，目前鋰離子電池的平均價(jià)格在496美元/千瓦時(shí)，這顯示自2010年以來(lái)成本降幅已達(dá)60%。按照這個(gè)速度，電池價(jià)格5年內(nèi)有望降到175美元/千瓦時(shí)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，汽車(chē)制造商必須在盈利的基礎(chǔ)上生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)，然后加大銷(xiāo)售力度，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。日產(chǎn)汽車(chē)公司在在第一代聆風(fēng)電動(dòng)汽車(chē)上市后就設(shè)立了龐大的銷(xiāo)售目標(biāo)，如今確實(shí)說(shuō)到做到，聆風(fēng)是全球迄今銷(xiāo)量最高的電動(dòng)汽車(chē)，今年將突破20萬(wàn)輛大關(guān)。下一代聆風(fēng)預(yù)計(jì)將提供120-150英里(193-240公里)，甚至更多的續(xù)航里程，顯然這會(huì)吸引更多的消費(fèi)者，日產(chǎn)作為車(chē)企也會(huì)越來(lái)越有利可圖。
