新能源汽車未來的產(chǎn)值巨大 誰將成為新一代電池?
時間:2016-03-24 08:42來源:騰訊汽車 作者:西顧
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無數(shù)聰明的頭腦和天量科研資金，仍然投入到電池研發(fā)中，盡管它的能量密度可憐。
新能源車產(chǎn)業(yè)看著花團錦簇，實際上像茶杯里的老鼠，看著透亮，前途不大。原因就在于電池的能量密度實在無法與傳統(tǒng)動力相比。幾乎全世界相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科研力量都涉足了電池研究。突破了這一點，就突破了新能源車與傳統(tǒng)動力車之間的藩籬，剩下的路一馬平川。當(dāng)然，神奇的自然規(guī)律不會讓我們那么容易得逞。
電池中可憐的電子遷移比例，決定了電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上汽油，柴油，丁烷，丙烷，天然氣，當(dāng)然更比不上氫燃料——因為氫本身可以將全部的電子參加化學(xué)反應(yīng)。豐田的氫燃料汽車，從能量密度角度看，是完美的化學(xué)解決方案。它的難度在于龐大昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和吸附、儲存介質(zhì)——氣態(tài)的氫實在太活躍太危險了。
結(jié)果就是豐田率領(lǐng)自己的雁陣，在列島的孤立之境中曲高和寡地玩兒。氫燃料的科技門檻太高，以至于大家對燃料電池在廣袤的大陸國家大規(guī)模應(yīng)用，有點缺乏信心。當(dāng)然，除非豐田能想出更石破天驚的法子，解除大家對燃料電池安全和成本的戒心。
無數(shù)聰明的頭腦和天量科研資金，仍然投入到電池研發(fā)中，盡管它的能量密度可憐。
正如我們在高中化學(xué)中學(xué)到的，大多數(shù)物質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的比例都很低。只有元素周期表的前兩行的輕原子有可能成為好的能量載體。除掉惰性氣體和氮（跟惰性氣體差不多的德性），還有熏死人的氟，只剩下氫（100%），碳（66%），硼（60%），鈹（50%），鋰（33%）——括號里是參加反應(yīng)的電子比例。
大家很容易發(fā)現(xiàn)，最適合能量載體的仍然是碳和氫。碳?xì)浠衔铮痪褪俏覀兂Ｓ玫钠吞烊粴庖活惖娜剂蠁幔?/span>
出于排放考慮的電池，能選用的正負(fù)極材料，仍然必須在上述圈子里尋找。在可憐的能量密度提不上去的同時，我們還得操心別的事。
經(jīng)典派
電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了百余年，早就過了爆發(fā)期。對于未來我們必須要有現(xiàn)實態(tài)度。支持電池發(fā)展的分子物理和化學(xué)分支，二戰(zhàn)以后沒有重大理論突破。我們見證了從鉛酸到鎳鎘、從鎳鎘到鎳氫、從鎳氫到現(xiàn)在的鋰離子的可充放電池發(fā)展歷程。這期間電池結(jié)構(gòu)沒有什么變化，可預(yù)見的未來也不會有。因此，不要想著爆個大新聞。
研究經(jīng)典電池的大多數(shù)機構(gòu)或者公司，都在正負(fù)極材料、電解液、隔膜上做文章。
倒退兩年，正極材料研究是熱點。除了特斯拉熱捧的鈷酸鋰之外，目前的其它鋰電池正極熱點材料，還有三元化合物L(fēng)i（NiCoMn）O2 、磷酸鐵鋰 （LiFePO4）。 然而由于壓實密度原因，采用這些材料的電池的容量并不如鈷酸鋰電池。為什么人們還要大力研究？
鈷酸鋰電池好是好，只是由于熱失控的問題體積做不大。基于同樣的原因，為追求大電量，需要將眾多鈷酸鋰電池堆疊在一起。精確管理這些小電池，似乎成為控制技術(shù)的噩夢。特斯拉將它們劃分成數(shù)百個小單元分別控制。但過高的成本讓特斯拉缺乏追隨者。
前幾天在京高調(diào)召開發(fā)布會的微宏公司，用三元材料作正極，鈦酸鋰作負(fù)極，并對電解液和隔膜進行了獨到的設(shè)計。公司高層宣稱可以在300攝氏度時不陷入熱失控。
除了還原劑令人頭痛，氧化劑的選擇也沒有什么余地。如果不用過渡金屬，鹵素也顯然不行，那就只能選氧與硫。鋰空氣電池（鋰、氧）與鋰硫電池都有很多人研究，但進展寥寥。除了IBM曾經(jīng)爆出過大新聞。
IBM旗下的 “電池500”項目，致力于使鋰空氣電池商用化。和目前商用的重金屬氧化物作為陰極的鋰電池不同，鋰空氣電池的負(fù)極是泡在有機電解液里面的碳棒，反應(yīng)物則是空氣中的氧氣。
這種反應(yīng)模式最大的優(yōu)點是無須自帶陰極氧化物，重量大大減輕，能量密度可以提升10倍，插電式電動車依靠這種電池可以一次行駛800公里，超過傳統(tǒng)動力車。不僅如此，鋰空氣電池也可以不進行充電，直接更換正負(fù)極卡盒，算是一種新型的燃料電池。
既然使用空氣，該電池必須設(shè)計成開放系統(tǒng)，電極和電解質(zhì)都暴露在空氣中，這使得人們始終無法維持這兩者的穩(wěn)定性，被當(dāng)做陰極的碳棒會與電解質(zhì)產(chǎn)生各種意料之外的副反應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)極迅速劣化。無論 “鋅空”到“鋰空”，都被嚴(yán)厲地批判過。
日本旭化成公司（Asahi Kasei）和中央硝子公司（Central Glass）在分離膜和電解液方面為該小組提供支持。
該小組嘗試將碳棒換為昂貴的納米金陰極，將陰極反應(yīng)液換成更不容易參與陰極反應(yīng)的有機液體。并聲稱獲得“充放電高達(dá)數(shù)百次而性能下降不明顯”的鋰空氣電池。但距離商用化，仍然有“很長的路要走”。
為了避免負(fù)極產(chǎn)生枝晶，即鋰離子在負(fù)極表面無序生長，需要加強捕獲鋰離子的手段。微宏公司也聲稱采用“多孔復(fù)合碳”作為負(fù)極材料，比表面積是傳統(tǒng)石墨的20倍以上，使鋰離子穩(wěn)定快速地遷移。
石墨烯
既然電池的正負(fù)極表面材料和結(jié)構(gòu)大有講究，為什么不利用近來突飛猛進的納米技術(shù)，用各種納米線、管、球、碗設(shè)計精細(xì)有序的表面結(jié)構(gòu)呢？
石墨烯就是其中的大新聞。盡管人們普遍對此懷有疑慮，因為聲稱以石墨烯為原料的鋰電池能量密度高達(dá)600wh/kg，是傳統(tǒng)動力鋰電池的5倍。一度有人將石墨烯技術(shù)當(dāng)做解決新能源車?yán)m(xù)航問題的終極方案。可惜，誰也沒有在可控成本上復(fù)制試驗室成果。
單層或者2層石墨烯確實很神奇：最薄、最堅硬、最導(dǎo)熱、最導(dǎo)電，簡直就是上帝賦予的材料。但只是看上去很美。
“接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克幾千元的售價，做成電池誰買？現(xiàn)在有公司聲稱將石墨烯的成本降低10倍，但仍然太貴。
即便不考慮成本，石墨烯很難分離到“完美”的1、2層，現(xiàn)有幾種方法分離出的石墨烯，充滿著官能團和瑕疵，層數(shù)不一，電化學(xué)性能遠(yuǎn)不盡人意。
有人提出，像撒芝麻一樣，在導(dǎo)電劑中摻點石墨烯。但馬上就有唱反調(diào)的人站出來說，石墨烯做導(dǎo)電劑分散性，還不如廉價的碳家族兄弟。石墨烯很容易把從正極出發(fā)的鋰離子通道給堵死，反映到宏觀層面，就是這種電池充一兩次電之后就廢了。
石墨烯做負(fù)極，理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量，而硅做負(fù)極的理論容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不過人家。事實上如果只考慮能量密度的話，金屬錫更適合作為負(fù)極材料。但到現(xiàn)在為止也就索尼推出過“錫電池” （Sony nexelion 14430W1）。但是，錫電池的名氣遠(yuǎn)不如還未做出成品的石墨烯電池。
固態(tài)電池
電解液只為了電子有序遷移提供通路，本身并不能蓄能。如果沒有電解液，豈不能提高能量密度？能量載體的物質(zhì)密度，固體>液體>氣體。這是很容易理解的。
支持全固態(tài)電池的廠商聲稱，他們研發(fā)的對象規(guī)避了液態(tài)電池的種種弊端。作為技術(shù)關(guān)鍵，固態(tài)電池傳遞電荷的介質(zhì)（電介質(zhì)）是各家電池公司的飯碗。盡管理論上可用氧化物、硫化物、氮化物作為固態(tài)電解質(zhì)材料，但無法實現(xiàn)液態(tài)電池那樣的傳導(dǎo)率。德國馬克思普朗克研究所開發(fā)的一種包含鋰、鍺、磷、硫的化合物，傳導(dǎo)率空前地高，但仍未能達(dá)到液態(tài)電池的水平。
所有固態(tài)電池廠家心知肚明的是，電池陰極和固態(tài)電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移電阻過高，致使固態(tài)電池的功率密度還很低。同時，制造電池（其實是固態(tài)電介質(zhì)）成本還非常高，因此距離商業(yè)化還有很長的路要走。
作為新能源技術(shù)領(lǐng)頭羊的豐田存在同樣的苦惱。公司高管必須做出決定，選擇看起來靠譜的那一個技術(shù)方向。在2010年，豐田推出了續(xù)航力達(dá)1000公里的電動車，用的就是固態(tài)電池技術(shù)。豐田還暢想在2020年將該技術(shù)商用化。但很快，豐田就將資金砸向氫燃料電池技術(shù)，圍繞氫制備和存儲，建立了龐大的專利群。豐田的宣傳機器轉(zhuǎn)而宣傳“美好氫時代”。
豐田從電動轉(zhuǎn)向“氫動”，鑒于豐田的地位，此舉直接打擊了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)。一時間，幾乎所有廠家都本能地對固態(tài)電池持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)豐田莫名其轉(zhuǎn)向時，有些整車廠甚至還沒有搞清楚，固態(tài)電池的瓶頸到底在哪里。
曾得到巴斯夫和通用投資的創(chuàng)業(yè)公司Sakti3，聲稱研發(fā)出擁有1100WH/L的能量密度的固態(tài)電池——相當(dāng)于主流鋰電池的4倍。Sakti3預(yù)測，固態(tài)電池電池的成本將“很快”降低至100美元/千瓦時。
而豐田曾公開表示，“在克服技術(shù)障礙的前提下”，全固態(tài)電池在2025年可以實現(xiàn)商業(yè)化，比鋰空氣電池早5年。但隨后豐田很快發(fā)現(xiàn)，“技術(shù)障礙”是如此地強大，足以阻礙固態(tài)電池的技術(shù)前進腳步。豐田選擇了另一條道路，所謂的“2025年固態(tài)電池”再也沒有被提及。
讓所有創(chuàng)業(yè)公司迷惑、新能源整車廠家謹(jǐn)慎的是，眼下不存在競爭優(yōu)勝者。5年內(nèi)新能源汽車未來的產(chǎn)值將達(dá)到整個汽車工業(yè)的10%。在不能產(chǎn)生新王者的局面下，龐大的產(chǎn)值仍然依靠我們今天熟悉的鋰電池產(chǎn)業(yè)。有明確商業(yè)價值的新一代電池，會誕生在我們已經(jīng)提到的這些技術(shù)方案之中嗎？這是一個大概率事件。畢竟選擇就那么幾樣。不過，新技術(shù)很可能賦予它們新面目和可靠的競爭力。
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