最近特斯拉、蔚來(lái)汽車(chē)的電池自燃事件頻發(fā)，于是大家對(duì)鋰電池的關(guān)注焦點(diǎn)從續(xù)航里程轉(zhuǎn)移到了安全問(wèn)題上。從消費(fèi)者的角度，當(dāng)然希望有價(jià)格低、續(xù)航長(zhǎng)、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(gè)維度之間不斷的協(xié)調(diào)、折中，往往是改變一個(gè)維度上的指標(biāo)就會(huì)牽動(dòng)其他幾個(gè)維度。

　　最近刷領(lǐng)英看到比爾·蓋茨分享的一篇文章。他說(shuō)很少有發(fā)明像電池一樣給生活帶來(lái)這么大的改變。同時(shí)，越來(lái)越多的發(fā)明家和投資家投身到這個(gè)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(hào)分享內(nèi)容

　　電動(dòng)飛機(jī)可能是航空業(yè)的未來(lái)。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(dòng)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(dòng)汽車(chē)也是如此。電動(dòng)汽車(chē)不僅僅是污染噴涌的同類(lèi)產(chǎn)品的清潔版。從根本上說(shuō)，它是一輛更好的汽車(chē)：它的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音很小，對(duì)司機(jī)的決定反應(yīng)迅速。給電動(dòng)汽車(chē)充電的費(fèi)用遠(yuǎn)低于支付等量汽油的費(fèi)用。電動(dòng)汽車(chē)可以用一小部分運(yùn)動(dòng)部件來(lái)制造，這使得維修成本更低。

　　那么為什么電動(dòng)汽車(chē)還沒(méi)有普及呢？這是因?yàn)殡姵貎r(jià)格昂貴，使得電動(dòng)汽車(chē)的前期成本遠(yuǎn)高于類(lèi)似的燃油動(dòng)力汽車(chē)。而且，除非你開(kāi)很多車(chē)，否則節(jié)省的汽油并不總能抵消更高的前期成本。總之，電動(dòng)汽車(chē)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(chǔ)存足夠的能量來(lái)為客機(jī)提供動(dòng)力。在電池技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)之前，我們?nèi)匀恍枰〉酶拘缘耐黄啤?/span>

　　電池驅(qū)動(dòng)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(gè)電池發(fā)明以來(lái)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)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(gè)問(wèn)題需要解決：電力、能源和安全。

沒(méi)有一個(gè)適合所有鋰離子電池的尺寸

　　每個(gè)電池有兩個(gè)電極：一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極。大多數(shù)鋰離子電池的陽(yáng)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(lèi)型在六個(gè)方面的表現(xiàn)。

能量挑戰(zhàn)

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

　　一個(gè)強(qiáng)大的電池能夠在很短的時(shí)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?xún)?chǔ)存很多能量，還涉及到擁有迅速釋放能量的能力。

　　應(yīng)對(duì)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(tīng)起來(lái)有些呆板，但是請(qǐng)容忍一下。新的電池技術(shù)經(jīng)常被夸大，就是因?yàn)槎鄶?shù)人對(duì)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(zhuān)家都同意，在至少十年或更長(zhǎng)的時(shí)間里，沒(méi)有其他化學(xué)物質(zhì)會(huì)破壞鋰離子。鋰離子電池有兩個(gè)電極（陰極和陽(yáng)極），中間有一個(gè)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(gè)電解質(zhì)（通常是液體），使鋰離子在電極之間來(lái)回流動(dòng)。當(dāng)電池充電時(shí)，離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極；當(dāng)電池供電時(shí)，離子向相反的方向移動(dòng)。

鋰離子電池內(nèi)部

　　想象一下兩條切片面包。每個(gè)面包都是一個(gè)電極：左邊是陰極，右邊是陽(yáng)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(lèi)中最好的薄片之一，陽(yáng)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(shuō)，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(shí)，每一個(gè)鋰離子從薄片之間被提取出來(lái)，并被迫通過(guò)液體電解質(zhì)。分離器充當(dāng)檢查點(diǎn)，確保只有鋰離子通過(guò)石墨層。當(dāng)電池充滿(mǎn)電時(shí)，電池的陰極層就不會(huì)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(shí)，鋰離子會(huì)回到陰極，直到陽(yáng)極中沒(méi)有剩余的鋰離子。這時(shí)電池需要重新充電。

　　電池的能量容量基本上取決于這個(gè)過(guò)程發(fā)生的速度。但提高速度并不容易。過(guò)快地將鋰離子從陰極面包中抽出可能會(huì)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(dòng)車(chē)的時(shí)間越長(zhǎng)，它們的電池壽命就越差的一個(gè)原因。每次充放電都會(huì)使面包變?nèi)酢?/span>

　　許多公司都在努力解決這個(gè)問(wèn)題。一種想法是用結(jié)構(gòu)更堅(jiān)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(xiàng)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(yáng)極。這些結(jié)構(gòu)在處理鋰離子進(jìn)出材料的流動(dòng)方面更為出色。

　　Leclanché目前在自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)叉車(chē)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(chē)電池充電到50%左右。Leclanché也在英國(guó)部署其電池，用于快速充電的電動(dòng)汽車(chē)。這些電池位于充電站，從電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間緩慢地吸收少量電力，直到完全充電。然后，當(dāng)汽車(chē)停靠時(shí)，塢站電池會(huì)快速為汽車(chē)電池充電。當(dāng)汽車(chē)離開(kāi)時(shí)，車(chē)站的電池又開(kāi)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(méi)有人制造出一個(gè)足夠強(qiáng)大的電池來(lái)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(duì)較低的密集型電池或電動(dòng)混合動(dòng)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(gè)接近商業(yè)化的領(lǐng)域卻沒(méi)有公司進(jìn)行投入。此外，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的電池專(zhuān)家VenkatViswanathan說(shuō)，全電動(dòng)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(shí)惠的車(chē)型，起價(jià)為35000美元。它使用一個(gè)50千瓦時(shí)的電池，大約花費(fèi)8750美元，相當(dāng)于汽車(chē)總價(jià)格的25%。

　　與不久前相比，這仍然是一筆令人驚訝的費(fèi)用。據(jù)彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）稱(chēng)，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(guó)能源部測(cè)算，一旦電池成本降至每千瓦時(shí)125美元以下，在世界大部分地區(qū)擁有和運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車(chē)將比燃?xì)鈩?dòng)力汽車(chē)便宜。這并不意味著電動(dòng)汽車(chē)將在所有的細(xì)分市場(chǎng)和領(lǐng)域戰(zhàn)勝燃?xì)鈩?dòng)力汽車(chē)，例如，長(zhǎng)途卡車(chē)還沒(méi)有電力解決方案。但這是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，人們開(kāi)始喜歡電動(dòng)汽車(chē)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，電動(dòng)汽車(chē)更經(jīng)濟(jì)。

　　實(shí)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(jià)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(guò)增加陰極或陽(yáng)極或兩者的能量密度來(lái)做到這一點(diǎn)。

　　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(gè)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(wèn)題是，在它停止工作之前，它只能承受相對(duì)較少的充放電壽命周期。但專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)五年內(nèi)，產(chǎn)業(yè)研發(fā)將解決NMC 811的問(wèn)題。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，使用NMC811的電池將有10%或更多的能量密度。

　　然而，10%的增長(zhǎng)并不是那么大。過(guò)去幾十年的一系列創(chuàng)新推動(dòng)了陰極的能量密度越來(lái)越高，而陽(yáng)極是最大的能量密度機(jī)會(huì)所在。

　　石墨一直是占主導(dǎo)地位的陽(yáng)極材料。它價(jià)格便宜，可靠，能量密度相對(duì)較高，特別是與目前的陰極材料相比。但與其他潛在的陽(yáng)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(yáng)極設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)一種完全由硅制成的商業(yè)上可行的陽(yáng)極。但這種元素的特點(diǎn)使其難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)石墨吸收鋰離子時(shí)，其體積變化不大。然而，在同樣的情況下，硅陽(yáng)極膨脹到原來(lái)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?yàn)榕蛎洉?huì)破壞硅陽(yáng)極的“固體電解質(zhì)界面”，即SEI。

　　你可以把SEI看作是陽(yáng)極為自身創(chuàng)造的一種保護(hù)層，類(lèi)似于鐵形成銹的方式，也被稱(chēng)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(shí)，它會(huì)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(huì)遭受同樣的命運(yùn)，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(shí)，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(dòng)。

　　但是，有了硅陽(yáng)極，每次使用電池為某個(gè)設(shè)備供電時(shí)，SEI都會(huì)斷裂，每次給電池充電時(shí)，SEI都會(huì)進(jìn)行改革。在每個(gè)充電周期中，會(huì)消耗一點(diǎn)點(diǎn)硅。最終，硅會(huì)消散到電池不再工作的程度。

　　在過(guò)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(gè)問(wèn)題。例如，SilaNano的方法是將硅原子封裝在一個(gè)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(huì)在每個(gè)電荷放電循環(huán)后破壞SEI。該公司價(jià)值3.5億美元，稱(chēng)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(yáng)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(yáng)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(jì)到2020年，該公司的電池將用于設(shè)備。

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

安全挑戰(zhàn)

　　為了在電池中儲(chǔ)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(jià)的。自從發(fā)明以來(lái)，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(shí)世界中，它的電池開(kāi)始著火，莫里被迫召回，最終申請(qǐng)破產(chǎn)。（其部分資產(chǎn)被一家臺(tái)灣公司收購(gòu)，仍在銷(xiāo)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(kāi)始在人們的口袋里爆炸。2016年的產(chǎn)品召回使韓國(guó)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(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儙缀蹩偸鞘褂靡兹家后w作為電解質(zhì)。對(duì)我們?nèi)祟?lèi)來(lái)說(shuō)，很不幸的是，能夠輕易運(yùn)輸離子的液體也往往具有較低的著火門(mén)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(jì)可以很容易地包括一種液體電解質(zhì)，它與電極的每一個(gè)接觸點(diǎn)都能有效地傳遞離子。固體的話(huà)要困難得多。想象一下，把一對(duì)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(huì)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(lèi)：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(zhǎng)鏈分子。它們?cè)谌粘?yīng)用中極為常見(jiàn)，例如，一次性塑料袋是由聚合物制成的。當(dāng)某些類(lèi)型的聚合物被加熱時(shí)，它們的行為就像液體一樣，但沒(méi)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(huà)說(shuō)，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(xiǎn)。

　　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(lái)儲(chǔ)存家庭電池中來(lái)自電網(wǎng)的能量。至少兩家美國(guó)SEEO和法國(guó)BOLLOR_公司正在開(kāi)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(guò)去十年中，兩類(lèi)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(chē)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(gè)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(shuō)：“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(xiàng)大生意，市場(chǎng)也在不斷增長(zhǎng)。這些錢(qián)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(chēng)。這是因?yàn)椴牧峡茖W(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?cè)噲D改善一種特性（比如說(shuō)能量密度）時(shí)，他們必須在另一種特性（比如說(shuō)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(mǎn)了問(wèn)題。

　　但是，隨著人們對(duì)麻省理工學(xué)院的明江（ming-jiang）問(wèn)題的更多關(guān)注，他估計(jì)現(xiàn)在美國(guó)電池科學(xué)家的數(shù)量是10年前的三倍，成功的機(jī)會(huì)也會(huì)增加。電池的潛力仍然巨大，但考慮到未來(lái)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(xiàng)聲明。

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