電池大突破到底何時到來？

如果想讓電池再次改變我們的生活，有三個問題需要解決：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。

電動飛機可能會成為航空的未來。從理論講，電動飛機相比傳統(tǒng)飛機更安靜、更便宜、更環(huán)保。如果充電一次電動飛機能夠飛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%。

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

為什么電動汽車還沒有普及呢？因為電池太昂貴，購買電動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前期支付成本的。簡單來說，電動汽車仍然不夠經(jīng)濟。

按重量或者體積計算，目前的電池還無法用來驅(qū)動客機。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，自此之后的兩個多世紀，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電池性能的影響。

功率的挑戰(zhàn)

許多時候，我們經(jīng)常會將“Energy”和“Power”混用，不過放在電池上，二者的含義有點不同。Power代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。

如果想讓商務(wù)噴氣式飛機充電一次飛1000公里，需要強大的電池，在非常短的時間內(nèi)釋放足夠大的能量，在起飛時尤其如此。所以說，光是在電池中存儲大量能量還不夠，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)，主要是因為我們沒有深入觀察內(nèi)部細節(jié)。

在我們使用的電池中，最常見的化學(xué)物質(zhì)是鋰離子。大多專家認為，在未來10年甚至更長的時間內(nèi)，沒有其它化學(xué)物質(zhì)可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個電極（陰極和陽極），還有一個分離器（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。當電池充電時，離子從陰極流向陽極，當電池放電時，離子向相反的方向移動。

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面包在夾層之間會有鋰離子夾心。電池充電時，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。當電池完全充滿電，陰極不會有再有任何鋰離子，它們?nèi)颊R排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時，鋰離子向陰極回流，直到陽極沒有任何鋰離子。此時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，層會受損。正因如此，手機、筆記本、電動汽車使用時間越長，電池壽命也全變短。每一次充電放電，都會讓“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，鋰離子流動效率更高。

目前Leclanché已經(jīng)將自己的電池裝進無人駕駛叉車，9分鐘就能充滿100%的電量。對比特斯拉超級充電器，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。當汽車入站，電池會給汽車電池快速充電。當汽車離開，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)飛機需要的電池。一些創(chuàng)業(yè)公司正在開發(fā)小型飛機，最多可以坐12人，它們可以安裝能量密度更低的電池，或者是電力混動飛機，當飛機起飛時用燃油，巡航時用電池。

可惜，雖然研究的公司很多，但沒有一門技術(shù)接近商用?？突仿〈髮W(xué)電池專家Venkat Viswanathan說，純電動商務(wù)飛機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35000美元。汽車裝備50千瓦時電池，成本大約8750美元，占了汽車總價的25%。

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

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

要想達到這一轉(zhuǎn)折點，有一個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。從理論上講，我們在電池化學(xué)方面是可以做到的，要么增強陰極的能量密度，要么增強陽極的能量密度，要么同時提升。

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)在機會在于陽極。

制造陽極時，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，堆疊時石墨相對比較脆弱。

從理論上講，硅吸收鋰離子時比石墨更好。正因如此，一些企業(yè)設(shè)計陽極時，才會嘗試向石墨內(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），那會是一大進步。不過因為硅元素有一些自身特點，很難做到。當石墨吸收鋰離子時，體積不會有太大變化。如果是硅陽極，在相同的條件下會膨脹到原來的四倍。

真遺憾，你不能只是擴大外殼，讓它適應(yīng)膨脹，膨脹還會破壞硅陽極“固體電解質(zhì)膜”（SEI）。

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

當電池第一次充電時，電極會形成自己的“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。

如果引入硅陽極，當我們用電池給其它設(shè)備充電時，每一次SEI都會分解，每次充電之時再度形成。在每一個充電循環(huán)周期中，會有一些硅被消耗。最終，硅消耗會達到一定程度，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)時不會破壞SEI。Sila Nano的估值達到3.5億美元，它曾說技術(shù)最快2020年就會用于設(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受到限制，防止SEI損壞。Enovix拿到了英特爾、高通的投資，預(yù)計它開發(fā)的電池會在2020年用于設(shè)備。

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

安全挑戰(zhàn)

為了充入更多的能量，對分子進行修補，可能會影響安全。自發(fā)明以來，鋰離子電池總是因為起火引起麻煩。1990年代，加拿大Moli Energy開始將鋰鐵電池用于手機，正式商用，不過到了現(xiàn)實世界，電池存在起火隱患，Moli被迫召回產(chǎn)品，最終公司申請破產(chǎn)。公司一些資產(chǎn)被中國臺灣企業(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也因為電池起火被召回，手機裝備的是鋰離子電池。2016年召回時，三星損失53億美元。

鋰離子電池仍然有起火隱患，因為它們大多都用易燃液體作為電解質(zhì)。真是不幸，液體能夠輕松運輸離子，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。固體更堅硬，你不妨想象一樣，將骰子扔進水里和沙里，在水中它接觸的表面會比沙子多很多。

目前，只有低能耗環(huán)境才會用上固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池，比如互聯(lián)傳感器。為了擴大固態(tài)電池的應(yīng)用范圍，大家一般有兩個選擇：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。當一些聚合物加熱之后會變得像液體一樣，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。

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。不過我們可以在家用電池中引入，用來存儲電網(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，我們極有可能會看到一些真正的陶瓷電池出現(xiàn)。 “

最終只是平衡

電池是一項大業(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，因為失敗率比軟件企業(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)，當他們嘗試提高一極時（比如能量密度），另一極就會削弱（比如安全）。因為要保持平衡，想在各個方面取得進步就會很難，速度很慢，還會帶來多種問題。

不過瞄準電池的專家也越來越多，這是一個好消息。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，成功的機率上升了。電池的潛力相當巨大，考慮到挑戰(zhàn)很大，難度很高，當我們聽到某人說新電池有多好時，最好還是帶著懷疑的眼光審視一下。