沒(méi)有突破的“突破性”電池新技術(shù)

時(shí)間:2022-03-02 09:55來(lái)源:汽車(chē)商業(yè)評(píng)論 作者:張鷗
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       如果我們?cè)谒阉饕嬷休斎?ldquo;電池”和“突破”兩個(gè)詞，會(huì)出現(xiàn)一頁(yè)又一頁(yè)的鏈接，包括世界各地的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成果、電池制造商的新進(jìn)展或企業(yè)間可能投資高達(dá)數(shù)億美元的大型合作項(xiàng)目。這些文章通常從標(biāo)題開(kāi)始就震懾力十足，無(wú)一不閃耀著崇高至上的科學(xué)光芒。
 
       然而，根據(jù)科學(xué)家、工程師、創(chuàng)業(yè)公司創(chuàng)始人和業(yè)內(nèi)分析師的說(shuō)法，在電池技術(shù)方面使用“突破”一詞充其量是一種夸大事實(shí)的過(guò)度營(yíng)銷(xiāo)。他們總是在說(shuō)，最新的研究發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)業(yè)公司推出的產(chǎn)品將在不久的將來(lái)“開(kāi)花結(jié)果，帶來(lái)重大變革”——都是無(wú)稽之談罷了。
 
       “你都不需要對(duì)這個(gè)行業(yè)有多了解，只要接觸一段時(shí)間，很快就能聽(tīng)到‘騙子電池供應(yīng)商’這樣的話(huà)。”電池創(chuàng)業(yè)公司Conamix的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人夏洛特·漢密爾頓（Charlotte Hamilton）說(shuō)。該公司成立于2014年，正在研發(fā)的技術(shù)得到了風(fēng)險(xiǎn)資本家和美國(guó)情報(bào)界的研究機(jī)構(gòu)IARPA的資助。
       實(shí)驗(yàn)室里的突破No.1：斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們想出了中和死鋰塊的方法，使它們恢復(fù)活力，與電極重新連接，為電池增加30%的壽命。
 
       電池高需求的行業(yè)現(xiàn)狀
 
       電池在人們?nèi)粘Ｉ钪凶兊迷絹?lái)越不可或缺。它們的容量決定了人們給智能手表或手機(jī)等設(shè)備充電的頻率，也是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主能否緩解“續(xù)航焦慮”的核心。同時(shí)，電力存儲(chǔ)對(duì)于可再生能源的需求增長(zhǎng)也至關(guān)重要。
 
       所有這些因素都提高了對(duì)于電池的量產(chǎn)和性能要求，使該行業(yè)成為投資者最熱衷的領(lǐng)域之一。根據(jù)資本市場(chǎng)數(shù)據(jù)公司PitchBook的統(tǒng)計(jì)，去年風(fēng)險(xiǎn)資本家向助力電氣化轉(zhuǎn)型的初創(chuàng)企業(yè)投入了近180億美元，包括電池研發(fā)和鋰礦開(kāi)采。
 
       考慮到電池領(lǐng)域正面臨亟待發(fā)展的關(guān)口，這些對(duì)于新電池突破的夸大其詞，往往可以歸結(jié)為科技行業(yè)的嘩眾取寵。
 
       舉個(gè)典型的例子：早在電氣化運(yùn)動(dòng)來(lái)襲之前，鋰硫電池就被認(rèn)為是電池行業(yè)可持續(xù)、高性能的下一個(gè)選擇，但從未接近商業(yè)化。可是它的研發(fā)者卻宣稱(chēng)：續(xù)航能力達(dá)到2000英里（3219公里）的電動(dòng)汽車(chē)指日可待。
 
       哈佛大學(xué)的李鑫教授說(shuō)：“人們喜歡看到‘突破’，但當(dāng)我們寫(xiě)論文時(shí)，我們都會(huì)盡量避免使用這類(lèi)詞匯。在我看來(lái)，過(guò)去5年有太多的‘電池突破’，但并沒(méi)有多少能在商業(yè)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)。”他的團(tuán)隊(duì)最近在科學(xué)雜志《自然》上發(fā)表了關(guān)于一種新型高容量固態(tài)電池的論文。
 
       肆意炒作當(dāng)然要付出實(shí)質(zhì)性的代價(jià)。投資者難以從眼花繚亂的觀點(diǎn)中找到值得的選擇，而那些直言不諱的初創(chuàng)企業(yè)可能會(huì)失去機(jī)會(huì)。
 
       漢密爾頓說(shuō)：“這使很多研究公司很難籌集到資金。如果我誠(chéng)實(shí)地說(shuō)，‘我們有世界上最好的鋰硫電池，但它目前還不足以用于電動(dòng)汽車(chē)’，我的主張就不會(huì)有多少人關(guān)注。”她的公司正在努力改變一個(gè)關(guān)鍵電池部件的材料，以便以更低的成本裝入更多的能量。
實(shí)驗(yàn)室里的突破No.2：荷蘭特文特大學(xué)的科學(xué)家用一種叫做鈮酸鎳的材料制造了一個(gè)陽(yáng)極，比今天的鋰離子電池充電快10倍。
 
       鋰離子電池的內(nèi)在復(fù)雜性
 
       鋰離子電池在1991年首次商業(yè)化，距離現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了30年。在這漫長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，真正的突破式發(fā)展少之又少。
 
       “當(dāng)我們?cè)?003年創(chuàng)辦特斯拉時(shí)，電池已經(jīng)足夠好了。我們注意到它們?cè)谝砸粋�(gè)緩慢但較平穩(wěn)的速度發(fā)展，這樣的發(fā)展曲線已經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間。”特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人馬克·塔彭寧（Marc Tarpenning）說(shuō)，“但是已經(jīng)過(guò)去19年了，我們?nèi)匀粵](méi)有在電池容量上達(dá)成質(zhì)的飛躍，每年增長(zhǎng)速度也就是7%-8%。”
 
       電池的發(fā)展偏向于潛移默化，而不是革命性的飛躍�？偟膩�(lái)說(shuō)，這歸因于高容量電池的內(nèi)在復(fù)雜性。在分子水平上，普通的鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的是一連串復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這才是真正困難的部分——當(dāng)電池充電時(shí)是正向的，當(dāng)它放電時(shí)是反向的，而且必須無(wú)數(shù)次地重復(fù)這個(gè)過(guò)程。
 
       許多理論上可以使現(xiàn)有電池容量增加1-3倍的方法，在幾個(gè)充電周期后都沒(méi)有被證實(shí)是有效的。比如上文提到的鋰硫電池，從紙面上看，它的容量可以達(dá)到目前電池的近10倍，然而如果真的用制造當(dāng)前電池的方法來(lái)制造它，它卻會(huì)在1-2個(gè)充電周期后幾乎完全損壞。
 
       今天生產(chǎn)的大多數(shù)電池都用于電動(dòng)汽車(chē)，而不是消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。特斯拉生產(chǎn)的最小的電池組所包含的能量等于1666部iPhone手機(jī)的電池組；一輛電動(dòng)悍馬則與7000部iPhone手機(jī)的電池組能量相當(dāng)。因此，電動(dòng)汽車(chē)毫無(wú)疑問(wèn)是現(xiàn)在電池制造的最主要驅(qū)動(dòng)力。
 
       作為最大需求主體，汽車(chē)制造商的要求也成為了電池制造必須滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些要求往往不會(huì)反映在研究人員和初創(chuàng)企業(yè)對(duì)于其電池性能的報(bào)告中。
 
       漢密爾頓說(shuō)，雖然在實(shí)驗(yàn)室里制造一個(gè)在某項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)良好的電池很容易，但在報(bào)告研究結(jié)果的時(shí)候，很多人就會(huì)開(kāi)始“耍心眼”了。他們會(huì)在報(bào)告中淡化這樣一個(gè)事實(shí)：實(shí)際應(yīng)用的電池必須在至少幾個(gè)性能上表現(xiàn)良好：可為加速提供動(dòng)力；有較高的能量重量比，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離行駛；可持續(xù)數(shù)千次充放電循環(huán)；可在廣泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行以及在損壞時(shí)起火的可能性足夠低。
 
       此外，電池的成本不能太高，因?yàn)殡姵厥请妱?dòng)汽車(chē)成本的很大一部分。
實(shí)驗(yàn)室里的突破No.3：美國(guó)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用來(lái)自木材的纖維素納米纖維，該材料的導(dǎo)電性比其他聚合物離子導(dǎo)體高10倍至100倍。
 
       遙遙無(wú)期的商業(yè)化道路
 
       即使一個(gè)十分有前途的新電池技術(shù)可以通過(guò)可行的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)挑戰(zhàn)也同樣巨大：大規(guī)模生產(chǎn)。
 
       塔彭寧說(shuō)，我們已經(jīng)在現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)上投入了大量的資金和研發(fā)，這些積累的巨大投資是任何能夠與之競(jìng)爭(zhēng)的新技術(shù)都無(wú)法相比的。因此，除非這個(gè)新技術(shù)能在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)以幾乎相同的方式進(jìn)行生產(chǎn)，否則會(huì)很難大范圍投產(chǎn)。
 
       汽車(chē)制造咨詢(xún)公司Munro & Associates的總裁科里·斯托本（Cory Steuben）說(shuō)，按照汽車(chē)制造商的要求將新的電池技術(shù)商業(yè)化，可能需要數(shù)十億美元的投資，這些投資必須以這些電池的初始成本較高的形式收回。
 
       當(dāng)然，這并不是說(shuō)，有前途的新電池技術(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)被商業(yè)化。
 
       還有許多公司沒(méi)有拿著喇叭到處宣揚(yáng)“突破進(jìn)展”，只是在默默地繼續(xù)著改進(jìn)現(xiàn)有電池技術(shù)的艱苦工作。Coreshell就是這樣一家初創(chuàng)公司，他們更多的是在做性能上的微小改進(jìn)。它剛剛獲得了1200萬(wàn)美元的A輪融資，塔彭寧也是公司顧問(wèn)之一。
 
       Coreshell公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人喬納森·譚（Jonathan Tan）說(shuō)，Coreshell正試圖將一種用于鋰離子電池關(guān)鍵部分的薄涂層商業(yè)化，該涂層能使電池在更高溫度下安全運(yùn)行，并減緩其降解。
 
       汽車(chē)電池的一個(gè)大問(wèn)題是對(duì)大量獨(dú)立電池組進(jìn)行冷卻。這對(duì)性能和安全都很關(guān)鍵，而且在這些電池組的體積和重量在車(chē)中占了很大比重。
 
       在回報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)的另一端，研究人員正在努力研究制造電池的新方法，并了解其不同組件如何相互作用。由于電池技術(shù)依賴(lài)于大量物質(zhì)之間復(fù)雜的、多步驟的化學(xué)反應(yīng)，大多數(shù)人對(duì)它們的工作原理仍舊不能完全理解。
實(shí)驗(yàn)室里的突破No.4：麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們研究的由鈉鉀合金制成的“半固體”電極，電流密度比其他固態(tài)電池高大約20倍。
 
       在哈佛大學(xué)，李教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究出一種新方法，使固態(tài)電池的壽命更長(zhǎng)。從理論上講，這可以使目前電池中的元素組合產(chǎn)生一種容量大得多的產(chǎn)品，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它可以與其他新型化學(xué)材料（如鋰硫）一起使用，使汽車(chē)和零部件制造商生產(chǎn)出某種新的革命性的高性能電池。
 
       但商業(yè)化依舊是個(gè)大問(wèn)題。李教授說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化還需要數(shù)年時(shí)間，與此同時(shí)他們還面臨著許多挑戰(zhàn)，更不用說(shuō)從研究結(jié)果到規(guī)模化生產(chǎn)之間的漫長(zhǎng)道路上，往往還會(huì)出現(xiàn)一些不期而至的未知障礙。
 
       塔彭寧說(shuō)，即使出現(xiàn)了真正的“突破性”技術(shù)，并且最終能夠進(jìn)入市場(chǎng)，看不到盡頭的開(kāi)發(fā)周期可能使其價(jià)值縮水——最終只是作為現(xiàn)有電池組容量的下一個(gè)增量。畢竟現(xiàn)有的電池技術(shù)也在一刻不停歇地發(fā)展中。
 
       “可能再過(guò)一些年，當(dāng)我們終于看到了翹首以盼的新技術(shù)投產(chǎn)，會(huì)感嘆：‘哦，原來(lái)只不過(guò)是另一個(gè)7%-8%的改進(jìn)’。”
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 電池技術(shù)
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