沒有突破的“突破性”電池新技術

時間:2022-03-02 09:55來源:汽車商業評論 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，會出現一頁又一頁的鏈接，包括世界各地的實驗室研發成果、電池制造商的新進展或企業間可能投資高達數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，根據科學家、工程師、創業公司創始人和業內分析師的說法，在電池技術方面使用“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，最新的研究發現或創業公司推出的產品將在不久的將來“開花結果，帶來重大變革”——都是無稽之談罷了。
 
       “你都不需要對這個行業有多了解，只要接觸一段時間，很快就能聽到‘騙子電池供應商’這樣的話。”電池創業公司Conamix的首席執行官兼聯合創始人夏洛特·漢密爾頓（Charlotte Hamilton）說。該公司成立于2014年，正在研發的技術得到了風險資本家和美國情報界的研究機構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。
 
       電池高需求的行業現狀
 
       電池在人們日常生活中變得越來越不可或缺。它們的容量決定了人們給智能手表或手機等設備充電的頻率，也是電動汽車車主能否緩解“續航焦慮”的核心。同時，電力存儲對于可再生能源的需求增長也至關重要。
 
       所有這些因素都提高了對于電池的量產和性能要求，使該行業成為投資者最熱衷的領域之一。根據資本市場數據公司PitchBook的統計，去年風險資本家向助力電氣化轉型的初創企業投入了近180億美元，包括電池研發和鋰礦開采。
 
       考慮到電池領域正面臨亟待發展的關口，這些對于新電池突破的夸大其詞，往往可以歸結為科技行業的嘩眾取寵。
 
       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可持續、高性能的下一個選擇，但從未接近商業化。可是它的研發者卻宣稱：續航能力達到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產品中實現。”他的團隊最近在科學雜志《自然》上發表了關于一種新型高容量固態電池的論文。
 
       肆意炒作當然要付出實質性的代價。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企業可能會失去機會。
 
       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注。”她的公司正在努力改變一個關鍵電池部件的材料，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。
 
       鋰離子電池的內在復雜性
 
       鋰離子電池在1991年首次商業化，距離現在已經過去了30年。在這漫長的時期內，真正的突破式發展少之又少。
 
       “當我們在2003年創辦特斯拉時，電池已經足夠好了。我們注意到它們在以一個緩慢但較平穩的速度發展，這樣的發展曲線已經持續了很長時間。”特斯拉聯合創始人馬克·塔彭寧（Marc Tarpenning）說，“但是已經過去19年了，我們仍然沒有在電池容量上達成質的飛躍，每年增長速度也就是7%-8%。”
 
       電池的發展偏向于潛移默化，而不是革命性的飛躍。總的來說，這歸因于高容量電池的內在復雜性。在分子水平上，普通的鋰離子電池內部發生的是一連串復雜的化學反應，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，而且必須無數次地重復這個過程。
 
       許多理論上可以使現有電池容量增加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。
 
       今天生產的大多數電池都用于電動汽車，而不是消費類電子產品。特斯拉生產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在電池制造的最主要驅動力。
 
       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企業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良好的電池很容易，但在報告研究結果的時候，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：實際應用的電池必須在至少幾個性能上表現良好：可為加速提供動力；有較高的能量重量比，以實現長距離行駛；可持續數千次充放電循環；可在廣泛的溫度范圍內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。
 
       遙遙無期的商業化道路
 
       即使一個十分有前途的新電池技術可以通過可行的方法來實現，另一個挑戰也同樣巨大：大規模生產。
 
       塔彭寧說，我們已經在現有的鋰離子電池技術上投入了大量的資金和研發，這些積累的巨大投資是任何能夠與之競爭的新技術都無法相比的。因此，除非這個新技術能在現有設施內以幾乎相同的方式進行生產，否則會很難大范圍投產。
 
       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商業化，可能需要數十億美元的投資，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永遠不會被商業化。
 
       還有許多公司沒有拿著喇叭到處宣揚“突破進展”，只是在默默地繼續著改進現有電池技術的艱苦工作。Coreshell就是這樣一家初創公司，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公司首席執行官兼聯合創始人喬納森·譚（Jonathan Tan）說，Coreshell正試圖將一種用于鋰離子電池關鍵部分的薄涂層商業化，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。由于電池技術依賴于大量物質之間復雜的、多步驟的化學反應，大多數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電池高大約20倍。
 
       在哈佛大學，李教授的團隊已經研究出一種新方法，使固態電池的壽命更長。從理論上講，這可以使目前電池中的元素組合產生一種容量大得多的產品，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出某種新的革命性的高性能電池。
 
       但商業化依舊是個大問題。李教授說，這項技術的商業化還需要數年時間，與此同時他們還面臨著許多挑戰，更不用說從研究結果到規模化生產之間的漫長道路上，往往還會出現一些不期而至的未知障礙。
 
       塔彭寧說，即使出現了真正的“突破性”技術，并且最終能夠進入市場，看不到盡頭的開發周期可能使其價值縮水——最終只是作為現有電池組容量的下一個增量。畢竟現有的電池技術也在一刻不停歇地發展中。
 
       “可能再過一些年，當我們終于看到了翹首以盼的新技術投產，會感嘆：‘哦，原來只不過是另一個7%-8%的改進’。”
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 電池技術
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