電池大突破到底何時(shí)到來？三大難題難倒科學(xué)家

【電車資源 行業(yè)資訊】

電動(dòng)飛機(jī)可能會(huì)成為航空的未來。從理論講,電動(dòng)飛機(jī)相比傳統(tǒng)飛機(jī)更安靜、更便宜、更環(huán)保。如果充電一次電動(dòng)飛機(jī)能夠飛 1000 公里,它就可以完成今天近一半的商務(wù)飛行任務(wù),讓全球航空碳排放削減 15%。

電動(dòng)汽車也一樣。事實(shí)上,電動(dòng)汽車不只環(huán)保,而且它還是更棒的汽車。電機(jī)幾乎沒有什么噪音,能夠快速響應(yīng)司機(jī)的命令。給汽車充電的成本比燒油便宜得多。電動(dòng)汽車只有很少的活動(dòng)部件,維護(hù)成本更低。

為什么電動(dòng)汽車還沒有普及呢?因?yàn)殡姵靥嘿F,購買電動(dòng)汽車的前期投入比相似的汽油汽車更大。除非你老是開著汽車,否則省下的汽油錢還不夠彌補(bǔ)前期支付成本的。簡單來說,電動(dòng)汽車仍然不夠經(jīng)濟(jì)。

按重量或者體積計(jì)算,目前的電池還無法用來驅(qū)動(dòng)客機(jī)。人類需要在電池技術(shù)上取得突破,然后它們才能真正流行。

電池便攜設(shè)備改變了我們的生活,但電池受到物理原理的限制。1799 年,人類發(fā)明第一塊電池,自此之后的兩個(gè)多世紀(jì),我們不斷研究,但是科學(xué)家仍然無法完全理解設(shè)備內(nèi)部到底發(fā)生了什么。我們只是知道,如果想讓電池再次改變我們的生活,有三個(gè)問題需要解決:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

沒有萬能鋰電池

每一塊鋰電池都有兩極:陰極和陽極。大多鋰電池的陽極是用石墨制造的,陰極卻有多種不同的材料,具體要看電池用在哪里。從下面這張圖中,你可以看到不同的陰極材料對(duì)電池性能的影響。

功率的挑戰(zhàn)

許多時(shí)候,我們經(jīng)常會(huì)將‘Energy’和‘Power’混用,不過放在電池上,二者的含義有點(diǎn)不同。Power 代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。

如果想讓商務(wù)噴氣式飛機(jī)充電一次飛 1000 公里,需要強(qiáng)大的電池,在非常短的時(shí)間內(nèi)釋放足夠大的能量,在起飛時(shí)尤其如此。所以說,光是在電池中存儲(chǔ)大量能量還不夠,還要以很快的速度釋放。

如果想解決功率問題,就要深入了解一些商務(wù)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們總是炒作新電池技術(shù),主要是因?yàn)槲覀儧]有深入觀察內(nèi)部細(xì)節(jié)。

在我們使用的電池中,最常見的化學(xué)物質(zhì)是鋰離子。大多專家認(rèn)為,在未來 10 年甚至更長的時(shí)間內(nèi),沒有其它化學(xué)物質(zhì)可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個(gè)電極(陰極和陽極),還有一個(gè)分離器(一種傳導(dǎo)離子而非電子的材料,可以防止短路),分離器放在中央,還有電解液(通常是液體),它讓鋰離子在兩極之間來回流動(dòng)。當(dāng)電池充電時(shí),離子從陰極流向陽極,當(dāng)電池放電時(shí),離子向相反的方向移動(dòng)。

我們不妨將它想象成兩塊面包,左邊一塊是陰極,右邊一塊是陽極。我們不妨假定陰極是由鎳、錳、鈷片 (NMC) 組成的,陽極是由石墨組成的,它相當(dāng)于讓碳原子一層一層疊加。

在放電狀態(tài)下,NMC 面包在夾層之間會(huì)有鋰離子夾心。電池充電時(shí),鋰離子從夾層中提取,被迫穿過液體電解質(zhì)。分離器確保只有鋰離子能穿過石墨層。當(dāng)電池完全充滿電,陰極不會(huì)有再有任何鋰離子,它們?nèi)颊R排列在石墨塊之間。當(dāng)電池釋放電能時(shí),鋰離子向陰極回流,直到陽極沒有任何鋰離子。此時(shí)我們就要再次給電池充電了。

從本質(zhì)上講,電池的功率是由處理速度的快慢決定的。要想加快速度沒有那么簡單。將鋰離子從陰極中抽取,如果速度太快,層會(huì)受損。正因如此,手機(jī)、筆記本、電動(dòng)汽車使用時(shí)間越長,電池壽命也全變短。每一次充電放電,都會(huì)讓‘面包塊’變得脆弱。

許多公司正在尋找更好的解決方案。有一種構(gòu)想是這樣的:用結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固的物質(zhì)替代電極層。例如,瑞士電池公司 Leclanché 正在開發(fā)一種技術(shù),它用磷酸鐵鋰(LFP)作為陰極,擁有橄欖石型結(jié)構(gòu),用鋰鈦氧化物(lithium titanate oxide,LTO)作為陽極,它擁有尖晶石型結(jié)構(gòu)。用這樣的材料制作電池,鋰離子流動(dòng)效率更高。

目前 Leclanché 已經(jīng)將自己的電池裝進(jìn)無人駕駛叉車,9 分鐘就能充滿 100% 的電量。對(duì)比特斯拉超級(jí)充電器,它給特斯拉汽車充滿 50% 的電量大約要 10 分鐘。在英國,Leclanché 正在部署,想將自己的電池裝到快速充電電動(dòng)汽車上。電池裝在充電站,緩慢從電網(wǎng)吸收電量,直到完全充滿。當(dāng)汽車入站,電池會(huì)給汽車電池快速充電。當(dāng)汽車離開,充電站的電池又開始充電。

Leclanché’s 的研究向我們證明,人類完全有可能找到更好的電池化學(xué)物質(zhì),增強(qiáng)電池功率。不過到目前為止,人類還沒有找到能量釋放足夠快、可以滿足商務(wù)飛機(jī)需要的電池。一些創(chuàng)業(yè)公司正在開發(fā)小型飛機(jī),最多可以坐 12 人,它們可以安裝能量密度更低的電池,或者是電力混動(dòng)飛機(jī),當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)用燃油,巡航時(shí)用電池。

可惜,雖然研究的公司很多,但沒有一門技術(shù)接近商用。卡耐基梅隆大學(xué)電池專家 Venkat Viswanathan 說,純電動(dòng)商務(wù)飛機(jī)需要的電池可能還要幾十年才能研究出來。

能量挑戰(zhàn)

Model 3 是特斯拉最便宜的汽車,起步價(jià) 35000 美元。汽車裝備 50 千瓦時(shí)電池,成本大約 8750 美元,占了汽車總價(jià)的 25%。

相比前幾年,這樣的成本已經(jīng)降了很多。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的報(bào)告,2018 年鋰離子電池的平均成本大約是每千瓦時(shí) 175 美元,2010 年約為 1200 美元。

按照美國能源部的計(jì)算,一旦電池成本降到每千瓦時(shí) 125 美元,擁有并使用一輛電動(dòng)汽車的成本就會(huì)汽油汽車低,至少在全球大多地區(qū)如此。并不是說到時(shí)在所有細(xì)分市場及主要市場,電動(dòng)汽車會(huì)全面戰(zhàn)勝汽油汽車,比如,長續(xù)航卡車用電池驅(qū)動(dòng)還不是很合適。不過如果到了這一轉(zhuǎn)折點(diǎn),大家選擇電動(dòng)汽車就會(huì)變得更容易,因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)角度看已經(jīng)可以接受了。

要想達(dá)到這一轉(zhuǎn)折點(diǎn),有一個(gè)辦法就是增加電池的能量密度,向電池組擠入更多的千瓦時(shí)。從理論上講,我們?cè)陔姵鼗瘜W(xué)方面是可以做到的,要么增強(qiáng)陰極的能量密度,要么增強(qiáng)陽極的能量密度,要么同時(shí)提升。

在商用材料中,能量密度最高的陰極是 NMC 811(數(shù)字代表鎳、錳和鈷的比例)。不過這種電極仍然不完美。最大的問題是電池的充放電循環(huán)次數(shù)相對(duì)較少,然后就沒法用了。不過專家預(yù)測,在未來 5 年內(nèi),行業(yè)研究人員將會(huì)解決 NMC 811 問題。如果真的做到,使用 NMC 811 的電池能量密度將會(huì)提高 10% 甚至更多。

盡管如此,提升 10% 也并不是很多。在過去幾十年里,出現(xiàn)不少創(chuàng)新,陰極的能量密度的確提高了,現(xiàn)在機(jī)會(huì)在于陽極。

制造陽極時(shí),石墨仍然占主導(dǎo)地位。便宜、可靠、能量密度也可以,這是它的優(yōu)勢。不過與其它潛在的陽極材料相比,比如硅、鋰,堆疊時(shí)石墨相對(duì)比較脆弱。

從理論上講,硅吸收鋰離子時(shí)比石墨更好。正因如此,一些企業(yè)設(shè)計(jì)陽極時(shí),才會(huì)嘗試向石墨內(nèi)擠入一些硅;特斯拉 CEO 馬斯克曾說,他的公司正在開發(fā)此類電池。

如果能制造出在商業(yè)上可行的硅陽極(完全用硅制造),那會(huì)是一大進(jìn)步。不過因?yàn)楣柙赜幸恍┳陨硖攸c(diǎn),很難做到。當(dāng)石墨吸收鋰離子時(shí),體積不會(huì)有太大變化。如果是硅陽極,在相同的條件下會(huì)膨脹到原來的四倍。

真遺憾,你不能只是擴(kuò)大外殼,讓它適應(yīng)膨脹,膨脹還會(huì)破壞硅陽極‘固體電解質(zhì)膜’(SEI)。

你可以將 SEI 視為保護(hù)層,它可以保護(hù)陽極,就像鐵生成鐵銹一樣,也就是所謂的氧化鐵,它能起到保護(hù)作用。當(dāng)外面多了一層,與氧氣的反應(yīng)就會(huì)減速。在鐵銹之下,鐵的氧化速度會(huì)變慢,內(nèi)部更堅(jiān)固。

當(dāng)電池第一次充電時(shí),電極會(huì)形成自己的‘鐵銹’層,也就是 SEI,將電極未被侵蝕的部分與其它部分分離。SEI 可以阻止其它化學(xué)反應(yīng),防止電極遭到侵蝕,確保鋰離子能夠盡可能平穩(wěn)地移動(dòng)。

如果引入硅陽極,當(dāng)我們用電池給其它設(shè)備充電時(shí),每一次 SEI 都會(huì)分解,每次充電之時(shí)再度形成。在每一個(gè)充電循環(huán)周期中,會(huì)有一些硅被消耗。最終,硅消耗會(huì)達(dá)到一定程度,然后電池就不能再用了。

在過去 10 年里,一些硅谷創(chuàng)業(yè)公司不斷尋找解決方案。例如,Sila Nano 找到一種方法,它將硅原子封裝在納米殼內(nèi),里面有許多的‘空房間’。這樣一來 SEI 就會(huì)在殼外形成,硅原子膨脹是在內(nèi)部發(fā)生的,每次充放電循環(huán)時(shí)不會(huì)破壞 SEI。Sila Nano 的估值達(dá)到 3.5 億美元,它曾說技術(shù)最快 2020 年就會(huì)用于設(shè)備。

還有 Enovix,它引入特殊制造技術(shù),將 100% 的硅陽極置于極大的物理壓力環(huán)境,迫使它盡可能少吸收鋰離子,這樣一來陽極的膨脹就會(huì)受到限制,防止 SEI 損壞。Enovix 拿到了英特爾、高通的投資,預(yù)計(jì)它開發(fā)的電池會(huì)在 2020 年用于設(shè)備。

從這些企業(yè)的研究看,硅陽極無法達(dá)到理論高能量密度。不過兩家公司都說,相比石墨陽極,它們的電極表現(xiàn)更好。第三方正在對(duì)電池進(jìn)行測試。

安全挑戰(zhàn)

為了充入更多的能量,對(duì)分子進(jìn)行修補(bǔ),可能會(huì)影響安全。自發(fā)明以來,鋰離子電池總是因?yàn)槠鸹鹨鹇闊?990 年代,加拿大 Moli Energy 開始將鋰鐵電池用于手機(jī),正式商用,不過到了現(xiàn)實(shí)世界,電池存在起火隱患,Moli 被迫召回產(chǎn)品,最終公司申請(qǐng)破產(chǎn)。公司一些資產(chǎn)被中國臺(tái)灣企業(yè)收購,Moli 自己現(xiàn)在仍然打著 E-One Moli Energy 的品牌名義銷售鋰電池。

最近,三星 Galaxy Note 7 也因?yàn)殡姵仄鸹鸨徽倩?手機(jī)裝備的是鋰離子電池。2016 年召回時(shí),三星損失 53 億美元。

鋰離子電池仍然有起火隱患,因?yàn)樗鼈兇蠖喽加靡兹家后w作為電解質(zhì)。真是不幸,液體能夠輕松運(yùn)輸離子,但它們卻容易起火。有一種辦法就是使用固態(tài)電解質(zhì)。不過固態(tài)電解質(zhì)也有其它缺點(diǎn)。固體更堅(jiān)硬,你不妨想象一樣,將骰子扔進(jìn)水里和沙里,在水中它接觸的表面會(huì)比沙子多很多。

目前,只有低能耗環(huán)境才會(huì)用上固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池,比如互聯(lián)傳感器。為了擴(kuò)大固態(tài)電池的應(yīng)用范圍,大家一般有兩個(gè)選擇:一是高溫固體聚合物,二是室溫陶瓷。

下面依次解釋一下:

高溫固體聚合物:聚合物是很長的分子鏈連接在一起。在日常應(yīng)用中,這種材料很常見,塑料袋就是由聚合物組成的。當(dāng)一些聚合物加熱之后會(huì)變得像液體一樣,不過它們不像液體電解質(zhì)那么易燃。換言之,它們擁有很高的離子電導(dǎo)率,就像液體電解質(zhì)一樣,但是沒有易燃風(fēng)險(xiǎn)。

可惜,聚合物也有自己的局限性。它們只能在 105 攝像度以上工作,不適合手機(jī)。不過我們可以在家用電池中引入,用來存儲(chǔ)電網(wǎng)電能。至少有兩家公司正在開發(fā),一是美國 SEEO,二是法國 Bollor,它們都在開發(fā)新固態(tài)電池,用高溫聚合物作為電解質(zhì)。

室溫陶瓷:在過去 10 年里,有兩種陶瓷向我們證明,在室溫環(huán)境下,它的離子導(dǎo)電率和液體一樣好,一是 LLZO(鋰,鑭,氧化鋯),二是 LGPS(鋰,鍺,硫化磷)。

豐田與硅谷創(chuàng)業(yè)公司 QuantumScape 都在開發(fā)陶瓷鋰離子電池?？突仿〈髮W(xué)專家 Viswanathan 說:‘在未來 2 年或者 3 年,我們極有可能會(huì)看到一些真正的陶瓷電池出現(xiàn)?！?/p>

最終只是平衡

電池是一項(xiàng)大業(yè)務(wù),市場規(guī)模還在增長。錢在那里,企業(yè)家也就涌向那里,帶來各種創(chuàng)意。不過電池創(chuàng)業(yè)公司處境艱難,因?yàn)槭÷时溶浖髽I(yè)高。為什么?想在材料科學(xué)領(lǐng)域取得突破是一件很難的事。

電池化學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)他們嘗試提高一極時(shí)(比如能量密度),另一極就會(huì)削弱(比如安全)。因?yàn)橐３制胶?想在各個(gè)方面取得進(jìn)步就會(huì)很難,速度很慢,還會(huì)帶來多種問題。

不過瞄準(zhǔn)電池的專家也越來越多,這是一個(gè)好消息。MIT 專家 Yet-Ming Chiang 說,與 10 年前相比,美國研究電池的科學(xué)家多了 2 倍,成功的機(jī)率上升了。電池的潛力相當(dāng)巨大,考慮到挑戰(zhàn)很大,難度很高,當(dāng)我們聽到某人說新電池有多好時(shí),最好還是帶著懷疑的眼光審視一下。