沒有突破的“突破性”電池新技術(shù)
時間:2022-03-02 09:55來源:汽車商業(yè)評論 作者:張鷗
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如果我們在搜索引擎中輸入“電池”和“突破”兩個詞，會出現(xiàn)一頁又一頁的鏈接，包括世界各地的實驗室研發(fā)成果、電池制造商的新進展或企業(yè)間可能投資高達數(shù)億美元的大型合作項目。這些文章通常從標題開始就震懾力十足，無一不閃耀著崇高至上的科學光芒。
然而，根據(jù)科學家、工程師、創(chuàng)業(yè)公司創(chuàng)始人和業(yè)內(nèi)分析師的說法，在電池技術(shù)方面使用“突破”一詞充其量是一種夸大事實的過度營銷。他們總是在說，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“開花結(jié)果，帶來重大變革”——都是無稽之談罷了。
“你都不需要對這個行業(yè)有多了解，只要接觸一段時間，很快就能聽到‘騙子電池供應(yīng)商’這樣的話。”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。該公司成立于2014年，正在研發(fā)的技術(shù)得到了風險資本家和美國情報界的研究機構(gòu)IARPA的資助。
實驗室里的突破No.1：斯坦福大學的科學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钪凶兊迷絹碓讲豢苫蛉薄Ｋ鼈兊娜萘繘Q定了人們給智能手表或手機等設(shè)備充電的頻率，也是電動汽車車主能否緩解“續(xù)航焦慮”的核心。同時，電力存儲對于可再生能源的需求增長也至關(guān)重要。
所有這些因素都提高了對于電池的量產(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)資本市場數(shù)據(jù)公司PitchBook的統(tǒng)計，去年風險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)和鋰礦開采。
考慮到電池領(lǐng)域正面臨亟待發(fā)展的關(guān)口，這些對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。
舉個典型的例子：早在電氣化運動來襲之前，鋰硫電池就被認為是電池行業(yè)可持續(xù)、高性能的下一個選擇，但從未接近商業(yè)化。可是它的研發(fā)者卻宣稱：續(xù)航能力達到2000英里（3219公里）的電動汽車指日可待。
哈佛大學的李鑫教授說：“人們喜歡看到‘突破’，但當我們寫論文時，我們都會盡量避免使用這類詞匯。在我看來，過去5年有太多的‘電池突破’，但并沒有多少能在商業(yè)產(chǎn)品中實現(xiàn)。”他的團隊最近在科學雜志《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。
肆意炒作當然要付出實質(zhì)性的代價。投資者難以從眼花繚亂的觀點中找到值得的選擇，而那些直言不諱的初創(chuàng)企業(yè)可能會失去機會。
漢密爾頓說：“這使很多研究公司很難籌集到資金。如果我誠實地說，‘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汽車’，我的主張就不會有多少人關(guān)注。”她的公司正在努力改變一個關(guān)鍵電池部件的材料，以便以更低的成本裝入更多的能量。
實驗室里的突破No.2：荷蘭特文特大學的科學家用一種叫做鈮酸鎳的材料制造了一個陽極，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)過去了30年。在這漫長的時期內(nèi)，真正的突破式發(fā)展少之又少。
“當我們在2003年創(chuàng)辦特斯拉時，電池已經(jīng)足夠好了。我們注意到它們在以一個緩慢但較平穩(wěn)的速度發(fā)展，這樣的發(fā)展曲線已經(jīng)持續(xù)了很長時間。”特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人馬克·塔彭寧（Marc Tarpenning）說，“但是已經(jīng)過去19年了，我們?nèi)匀粵]有在電池容量上達成質(zhì)的飛躍，每年增長速度也就是7%-8%。”
電池的發(fā)展偏向于潛移默化，而不是革命性的飛躍。總的來說，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)雜的化學反應(yīng)，這才是真正困難的部分——當電池充電時是正向的，當它放電時是反向的，而且必須無數(shù)次地重復(fù)這個過程。
許多理論上可以使現(xiàn)有電池容量增加1-3倍的方法，在幾個充電周期后都沒有被證實是有效的。比如上文提到的鋰硫電池，從紙面上看，它的容量可以達到目前電池的近10倍，然而如果真的用制造當前電池的方法來制造它，它卻會在1-2個充電周期后幾乎完全損壞。
今天生產(chǎn)的大多數(shù)電池都用于電動汽車，而不是消費類電子產(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手機的電池組；一輛電動悍馬則與7000部iPhone手機的電池組能量相當。因此，電動汽車毫無疑問是現(xiàn)在電池制造的最主要驅(qū)動力。
作為最大需求主體，汽車制造商的要求也成為了電池制造必須滿足的標準。然而，這些要求往往不會反映在研究人員和初創(chuàng)企業(yè)對于其電池性能的報告中。
漢密爾頓說，雖然在實驗室里制造一個在某項指標上表現(xiàn)良好的電池很容易，但在報告研究結(jié)果的時候，很多人就會開始“耍心眼”了。他們會在報告中淡化這樣一個事實：實際應(yīng)用的電池必須在至少幾個性能上表現(xiàn)良好：可為加速提供動力；有較高的能量重量比，以實現(xiàn)長距離行駛；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)運行以及在損壞時起火的可能性足夠低。
此外，電池的成本不能太高，因為電池是電動汽車成本的很大一部分。
實驗室里的突破No.3：美國的一個科學家團隊使用來自木材的纖維素納米纖維，該材料的導電性比其他聚合物離子導體高10倍至100倍。
遙遙無期的商業(yè)化道路
即使一個十分有前途的新電池技術(shù)可以通過可行的方法來實現(xiàn)，另一個挑戰(zhàn)也同樣巨大：大規(guī)模生產(chǎn)。
塔彭寧說，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爭的新技術(shù)都無法相比的。因此，除非這個新技術(shù)能在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)以幾乎相同的方式進行生產(chǎn)，否則會很難大范圍投產(chǎn)。
汽車制造咨詢公司Munro & Associates的總裁科里·斯托本（Cory Steuben）說，按照汽車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。
當然，這并不是說，有前途的新電池技術(shù)永遠不會被商業(yè)化。
還有許多公司沒有拿著喇叭到處宣揚“突破進展”，只是在默默地繼續(xù)著改進現(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。它剛剛獲得了1200萬美元的A輪融資，塔彭寧也是公司顧問之一。
Coreshell公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人喬納森·譚（Jonathan Tan）說，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行，并減緩其降解。
汽車電池的一個大問題是對大量獨立電池組進行冷卻。這對性能和安全都很關(guān)鍵，而且在這些電池組的體積和重量在車中占了很大比重。
在回報和風險的另一端，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)依賴于大量物質(zhì)之間復(fù)雜的、多步驟的化學反應(yīng)，大多數(shù)人對它們的工作原理仍舊不能完全理解。
實驗室里的突破No.4：麻省理工學院的科學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，李教授的團隊已經(jīng)研究出一種新方法，使固態(tài)電池的壽命更長。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，而且從長遠來看，它可以與其他新型化學材料（如鋰硫）一起使用，使汽車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)化依舊是個大問題。李教授說，這項技術(shù)的商業(yè)化還需要數(shù)年時間，與此同時他們還面臨著許多挑戰(zhàn)，更不用說從研究結(jié)果到規(guī)模化生產(chǎn)之間的漫長道路上，往往還會出現(xiàn)一些不期而至的未知障礙。
塔彭寧說，即使出現(xiàn)了真正的“突破性”技術(shù)，并且最終能夠進入市場，看不到盡頭的開發(fā)周期可能使其價值縮水——最終只是作為現(xiàn)有電池組容量的下一個增量。畢竟現(xiàn)有的電池技術(shù)也在一刻不停歇地發(fā)展中。
“可能再過一些年，當我們終于看到了翹首以盼的新技術(shù)投產(chǎn)，會感嘆：‘哦，原來只不過是另一個7%-8%的改進’。”
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