重磅消息：下一代電池長什么樣？

　　最近特斯拉、蔚來汽車的電池自燃事件頻發(fā)，于是大家對鋰電池的關(guān)注焦點從續(xù)航里程轉(zhuǎn)移到了安全問題上。從消費者的角度，當(dāng)然希望有價格低、續(xù)航長、性能好、安全高等的完美電池出現(xiàn)，但是這并不符合物理定律。電池研究就像是玩平衡術(shù)，需要在幾個維度之間不斷的協(xié)調(diào)、折中，往往是改變一個維度上的指標(biāo)就會牽動其他幾個維度。

　　最近刷領(lǐng)英看到比爾·蓋茨分享的一篇文章。他說很少有發(fā)明像電池一樣給生活帶來這么大的改變。同時，越來越多的發(fā)明家和投資家投身到這個領(lǐng)域，致力于制造出更好的電池。他轉(zhuǎn)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(nèi)容

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

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

　　那么為什么電動汽車還沒有普及呢？這是因為電池價格昂貴，使得電動汽車的前期成本遠(yuǎn)高于類似的燃油動力汽車。而且，除非你開很多車，否則節(jié)省的汽油并不總能抵消更高的前期成本?？傊?，電動汽車仍然不經(jīng)濟(jì)。

　　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為客機(jī)提供動力。在電池技術(shù)成為現(xiàn)實之前，我們?nèi)匀恍枰〉酶拘缘耐黄啤?/span>

　　電池驅(qū)動的便攜式設(shè)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(qiáng)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年第一個電池發(fā)明以來經(jīng)過了兩個多世紀(jì)的密切研究，科學(xué)家們?nèi)匀徊煌耆斫膺@些設(shè)備內(nèi)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，基本上有三個問題需要解決：電力、能源和安全。

沒有一個適合所有鋰離子電池的尺寸

　　每個電池有兩個電極：一個陰極和一個陽極。大多數(shù)鋰離子電池的陽極是由石墨制成的，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型在六個方面的表現(xiàn)。

能量挑戰(zhàn)

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

　　一個強(qiáng)大的電池能夠在很短的時間內(nèi)釋放大量的能量足以支撐商業(yè)噴氣式飛機(jī)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，這不僅僅是可以儲存很多能量，還涉及到擁有迅速釋放能量的能力。

　　應(yīng)對能源挑戰(zhàn)需要我們了解商用電池里面到底是什么?；蛟S，這些內(nèi)容聽起來有些呆板，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(shù)人對電池的細(xì)節(jié)不夠了解。

　　我們目前最前沿的電池化學(xué)是鋰離子。大多數(shù)專家都同意，在至少十年或更長的時間里，沒有其他化學(xué)物質(zhì)會破壞鋰離子。鋰離子電池有兩個電極（陰極和陽極），中間有一個分離器（一種可以傳導(dǎo)離子而不是電子的材料，旨在防止短路），還有一個電解質(zhì)（通常是液體），使鋰離子在電極之間來回流動。當(dāng)電池充電時，離子從陰極移動到陽極；當(dāng)電池供電時，離子向相反的方向移動。

鋰離子電池內(nèi)部

　　想象一下兩條切片面包。每個面包都是一個電極：左邊是陰極，右邊是陽極。讓我們假設(shè)陰極是由鎳、錳和鈷（NMC）薄片組成的——這是同類中最好的薄片之一，陽極是由石墨組成的，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，在能量耗盡后，NMC面包在每片之間夾有鋰離子。當(dāng)電池充電時，每一個鋰離子從薄片之間被提取出來，并被迫通過液體電解質(zhì)。分離器充當(dāng)檢查點，確保只有鋰離子通過石墨層。當(dāng)電池充滿電時，電池的陰極層就不會剩下鋰離子，而是整齊地夾在石墨層之間。當(dāng)電池的能量被消耗時，鋰離子會回到陰極，直到陽極中沒有剩余的鋰離子。這時電池需要重新充電。

　　電池的能量容量基本上取決于這個過程發(fā)生的速度。但提高速度并不容易。過快地將鋰離子從陰極面包中抽出可能會導(dǎo)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(jī)、筆記本電腦或電動車的時間越長，它們的電池壽命就越差的一個原因。每次充放電都會使面包變?nèi)酢?/span>

　　許多公司都在努力解決這個問題。一種想法是用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（LFP）作為陰極，使用具有“尖晶石”結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（LTO）作為陽極。這些結(jié)構(gòu)在處理鋰離子進(jìn)出材料的流動方面更為出色。

　　Leclanché目前在自動倉庫叉車中使用電池，電池可以在9分鐘內(nèi)充電到100%。相比之下，最好的特斯拉增壓器可以在10分鐘內(nèi)將特斯拉汽車電池充電到50%左右。Leclanché也在英國部署其電池，用于快速充電的電動汽車。這些電池位于充電站，從電網(wǎng)長時間緩慢地吸收少量電力，直到完全充電。然后，當(dāng)汽車?？繒r，塢站電池會快速為汽車電池充電。當(dāng)汽車離開時，車站的電池又開始充電了。

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

　　但在這個接近商業(yè)化的領(lǐng)域卻沒有公司進(jìn)行投入。此外，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的電池專家VenkatViswanathan說，全電動商用飛機(jī)所需的技術(shù)飛躍可能需要幾十年。

能源挑戰(zhàn)

　　特斯拉Model 3 是該公司最實惠的車型，起價為35000美元。它使用一個50千瓦時的電池，大約花費8750美元，相當(dāng)于汽車總價格的25%。

　　與不久前相比，這仍然是一筆令人驚訝的費用。據(jù)彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）稱，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(jù)美國能源部測算，一旦電池成本降至每千瓦時125美元以下，在世界大部分地區(qū)擁有和運營電動汽車將比燃?xì)鈩恿ζ嚤阋?。這并不意味著電動汽車將在所有的細(xì)分市場和領(lǐng)域戰(zhàn)勝燃?xì)鈩恿ζ?，例如，長途卡車還沒有電力解決方案。但這是一個轉(zhuǎn)折點，人們開始喜歡電動汽車，因為在大多數(shù)情況下，電動汽車更經(jīng)濟(jì)。

　　實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是提高電池的能量密度，在不降低價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)家可以通過增加陰極或陽極或兩者的能量密度來做到這一點。

　　在商業(yè)化應(yīng)用中，能量密度最高的陰極是NMC811（數(shù)字中的每個數(shù)字分別代表混合中鎳、錳和鈷的比例）。它還不完美。最大的問題是，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。但專家預(yù)測，未來五年內(nèi)，產(chǎn)業(yè)研發(fā)將解決NMC 811的問題。當(dāng)這種情況發(fā)生時，使用NMC811的電池將有10%或更多的能量密度。

　　然而，10%的增長并不是那么大。過去幾十年的一系列創(chuàng)新推動了陰極的能量密度越來越高，而陽極是最大的能量密度機(jī)會所在。

　　石墨一直是占主導(dǎo)地位的陽極材料。它價格便宜，可靠，能量密度相對較高，特別是與目前的陰極材料相比。但與其他潛在的陽極材料（如硅和鋰）相比，它相當(dāng)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極設(shè)計中都試圖在石墨中加入一些硅；特斯拉首席執(zhí)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。

　　更大的一步將是開發(fā)一種完全由硅制成的商業(yè)上可行的陽極。但這種元素的特點使其難以實現(xiàn)。當(dāng)石墨吸收鋰離子時，其體積變化不大。然而，在同樣的情況下，硅陽極膨脹到原來體積的四倍。

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

　　你可以把SEI看作是陽極為自身創(chuàng)造的一種保護(hù)層，類似于鐵形成銹的方式，也被稱為氧化鐵，以保護(hù)自己免受元素的侵害：當(dāng)你把一塊新鍛造的鐵放在外面時，它會慢慢地與空氣中的氧反應(yīng)，從而生銹。在鐵銹層的下面，其余的鐵不會遭受同樣的命運，因此保持了結(jié)構(gòu)的完整性。

　　在電池第一次充電結(jié)束時，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(yīng)，確保鋰離子能夠盡可能平穩(wěn)地流動。

　　但是，有了硅陽極，每次使用電池為某個設(shè)備供電時，SEI都會斷裂，每次給電池充電時，SEI都會進(jìn)行改革。在每個充電周期中，會消耗一點點硅。最終，硅會消散到電池不再工作的程度。

　　在過去的十年里，一些硅谷的初創(chuàng)企業(yè)一直在努力解決這個問題。例如，SilaNano的方法是將硅原子封裝在一個納米大小的殼內(nèi)，殼內(nèi)有許多空腔。這樣，SEI就形成在外殼的外部，硅原子在外殼內(nèi)部發(fā)生膨脹，而不會在每個電荷放電循環(huán)后破壞SEI。該公司價值3.5億美元，稱其技術(shù)將在2020年為設(shè)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(yù)計到2020年，該公司的電池將用于設(shè)備。

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

安全挑戰(zhàn)

　　為了在電池中儲存更多能量而進(jìn)行的所有分子修補(bǔ)都是以犧牲安全為代價的。自從發(fā)明以來，鋰離子電池就因頻繁著火而引起頭痛。例如，在20世紀(jì)90年代，加拿大的Moli能源公司將手機(jī)用鋰金屬電池商業(yè)化。但在現(xiàn)實世界中，它的電池開始著火，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(jī)開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?nèi)祟悂碚f，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火門檻。一種解決方案是使用固體電解質(zhì)。但這意味著其他的妥協(xié)。電池的設(shè)計可以很容易地包括一種液體電解質(zhì)，它與電極的每一個接觸點都能有效地傳遞離子。固體的話要困難得多。想象一下，把一對骰子扔進(jìn)一杯水里。現(xiàn)在想象一下把同樣的骰子扔進(jìn)一杯沙子里。顯然，水會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(yīng)用，如用于互聯(lián)網(wǎng)連接的傳感器。擴(kuò)大不含液體電解質(zhì)的固態(tài)電池規(guī)模的努力大致可分為兩類：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鏈分子。它們在日常應(yīng)用中極為常見，例如，一次性塑料袋是由聚合物制成的。當(dāng)某些類型的聚合物被加熱時，它們的行為就像液體一樣，但沒有在大多數(shù)電池中使用的液體電解質(zhì)的可燃性。換句話說，它們作為液體電解質(zhì)具有很高的離子導(dǎo)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，這意味著它們不適合智能手機(jī)。但是，例如，它們可以用來儲存家庭電池中來自電網(wǎng)的能量。至少兩家美國SEEO和法國BOLLOR_公司正在開發(fā)使用高溫聚合物作為電解質(zhì)的固態(tài)電池。

室溫陶瓷

　　在過去十年中，兩類陶瓷LLZO（鋰、鑭和氧化鋯）和LGPS（鋰、鍺、硫化磷）在室溫下的導(dǎo)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一個突破可能比許多人想象的更接近。

　　卡內(nèi)基梅隆的維斯瓦納坦說：“在兩三年內(nèi)，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，市場也在不斷增長。這些錢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)是高失敗率著稱。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(xiàn)，當(dāng)他們試圖改善一種特性（比如說能量密度）時，他們必須在另一種特性（比如說安全性）上妥協(xié)。這種平衡行為意味著各方面的進(jìn)展緩慢，充滿了問題。

　　但是，隨著人們對麻省理工學(xué)院的明江（ming-jiang）問題的更多關(guān)注，他估計現(xiàn)在美國電池科學(xué)家的數(shù)量是10年前的三倍，成功的機(jī)會也會增加。電池的潛力仍然巨大，但考慮到未來的挑戰(zhàn)，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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