電池大突破到底何時到來？三大難題難倒科學家

電動飛機可能成為航空的未來。理論上，電動飛機比傳統飛機更安靜、更便宜、更環保。如果一架電動飛機一次充電可以飛行1000公里，就可以完成今天將近一半的商業任務，減少全球航空碳排放15%。電動汽車也是如此。事實上，電動車不僅環保，而且是更好的汽車。電機噪音小，能快速響應駕駛員的指令。給汽車充電的費用比燒油便宜多了。電動車運動部件少，所以維護成本更低。為什么電動車還沒有普及？因為電池太貴，買電動車的前期投入比買一輛類似的汽油車要大。除非你一直開著車，否則省下來的油錢不足以覆蓋前期支付成本。簡單來說，電動車還是不夠經濟。根據重量或體積，目前的電池還不能用來驅動客機。人類需要在電池技術上有所突破，才能真正普及。電池便攜設備改變了我們的生活，但電池受到物理原理的限制。1799年，人類發明了第一塊電池，從那以后我們對它的研究已經持續了兩個多世紀，但是科學家們仍然不能完全理解設備內部發生了什么。我們只是知道，要想讓電池再次改變我們的生活，有三個問題需要解決:電力、能源、安全。沒有萬能的鋰電池。每個鋰電池都有兩極:陰極和陽極。大多數鋰電池的陽極由石墨制成，但陰極由許多不同的材料制成，這取決于電池的使用場合。從下圖可以看出不同正極材料對電池性能的影響。

動力的挑戰很多時候，我們經常把“能量”和“動力”混為一談，但是說到電池，它們的含義就有點不一樣了。功率代表能量的釋放速度。我們稱之為權力。如果你想讓一架公務機一次飛行1000公里，你需要一個強大的電池在極短的時間內釋放足夠的能量，尤其是在起飛的時候。因此，在電池中儲存大量能量是不夠的，還要以極快的速度釋放出來。要想解決動力問題，就要深入了解一些商用電池的內部結構。我們總是炒作新的電池技術，主要是沒有深入觀察內部細節。在我們使用的電池中，最常見的化學物質是鋰離子。大多數專家認為，在未來10年甚至更長的時間內，沒有任何其他化學物質可以打敗鋰。鋰離子電池有兩個電極(陰極和陽極)，一個隔板(一種傳導離子而不是電子以防止短路的材料)，它被放置在中心，一種電解質(通常是液體)允許鋰離子在兩個電極之間來回流動。當電池充電時，離子從陰極流向陽極，當電池放電時，離子向相反方向移動。

我們不妨把它想象成兩塊面包，左邊一塊是陰極，右邊一塊是陽極。我們不妨假設陰極由鎳、錳、鈷片(NMC)組成，陽極由石墨組成，相當于一層一層地堆積碳原子。在放電狀態下，NMC面包層間會有鋰離子夾層。當電池充電時，鋰離子從夾層中被提取出來，并被迫通過液體電解質。隔板確保只有鋰離子能夠穿過石墨層。當電池充滿電后，負極不會再有鋰離子，它們都整齊地排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時，鋰離子流回陰極，直到陽極沒有鋰離子。這時候我們再給電池充電。本質上，電池的功率是由處理速度決定的。加速沒那么簡單。鋰離子從陰極被提取出來。如果速度太快，會損壞圖層。正因如此，手機、筆記本、電動車使用時間越長，電池壽命越短。每次充放電都會讓“面包塊”變得脆弱。許多公司……尋找更好的解決方案。一種想法是用一種結構更強的物質代替電極層。例如，瑞士電池公司Leclanché正在開發一種技術，該技術使用磷酸亞鐵鋰(LFP)作為陰極并具有橄欖石結構，使用鈦酸鋰氧化物(LTO)作為陽極，并具有尖晶石結構。用這種材料做電池，鋰離子流動效率更高。目前，Leclanché已經將自己的電池放入無人駕駛叉車中，9分鐘就可以充滿100%的電。相比特斯拉超級充電器，特斯拉汽車充50%電需要10分鐘左右。在英國，Leclanché正在部署并希望在快速充電電動汽車上安裝自己的電池。電池安裝在充電站，慢慢從電網吸收電力，直到充滿電。當汽車進站時，蓄電池會快速給汽車蓄電池充電。車走了，充電站的電池又開始充電了。Leclanché的研究向我們證明，人類完全有可能找到更好的電池化學物質，增強電池電量。但到目前為止，人類還沒有找到一種能夠足夠快地釋放能量以滿足商用飛機需求的電池。一些初創公司正在開發可容納12人的小型飛機。他們可以安裝能量密度更低的電池，或者起飛時使用燃料、巡航時使用電池的電動混合動力飛機。遺憾的是，雖然研究公司很多，但沒有一家接近商業化。卡內基梅隆大學的電池專家Venkat Viswanathan表示，純電動商用飛機所需的電池可能需要幾十年才能研發出來。能源挑戰Model 3是特斯拉最便宜的汽車，起價3.5萬美元。配備50千瓦時電池的汽車售價約為8750美元，占汽車總價的25%。相比往年，這樣的成本下降了不少。根據彭博新能源財經的報告，2018年鋰離子電池的平均成本約為每千瓦時175美元，2010年約為1200美元。根據美國能源部的計算，一旦電池成本降至每千瓦時125美元，擁有和使用電動汽車的成本將低于汽油車，至少在世界大部分地區是如此。并不是說電動車會在所有細分市場和主要市場完全打敗汽油車。比如不適合長壽命的卡車用電池驅動。但是如果到了這個轉折點，大家選擇電動汽車會變得更容易，因為從經濟角度來說是可以接受的。達到這個轉折點的一個方法是增加電池的能量密度，將更多的千瓦時擠壓到電池組中。理論上我們可以在電池化學上做到，要么增強陰極的能量密度，要么增強陽極的能量密度，要么同時提高。

在商業材料中，能量密度最高的陰極是NMC 811(數字代表鎳、錳和鈷的比例)。然而，這種電極仍然不是完美的。最大的問題是電池充放電循環次數相對較少，然后就用不上了。然而，專家預測，在未來五年內，行業研究人員將解決NMC 811問題。如果真的做到了，使用NMC 811的電池能量密度將提高10%甚至更多。不過，10%的漲幅并不算多。在過去的幾十年里，有很多創新，陰極的能量密度確實增加了。現在機會在陽極。

在制作陽極時，石墨仍然占主導地位。便宜，可靠，能量密度也可以接受，這是它的優勢。然而，與硅和鋰等其他潛在的陽極材料相比，石墨在堆疊時相對易碎。從理論上講，硅比石墨更好地吸收鋰離子。正因為如此，一些企業在設計陽極時會試圖將部分硅擠入石墨中；特斯拉首席執行官馬斯克曾表示，他的公司正在開發這種電池。如果能制造出商業上可行的硅陽極(完全由硅制成),那將是一大進步。但是由于硅本身的一些特性，很難做到。石墨吸收鋰離子時，體積不會有太大變化。如果是硅陽極，同樣條件下會膨脹4倍。可惜不能只把外殼擴大來適應膨脹，這樣也會破壞硅陽極的“SEI”。你可以把SEI想象成一個保護層，它可以保護陽極，就像鐵生成鐵銹，叫做氧化鐵，它可以起到保護作用。外面多了一層，和氧氣的反應就會慢下來。生銹的情況下，鐵的氧化速度會變慢，內部會更堅固。當電池第一次充電時，電極會形成自己的“銹”層，即SEI，它會將電極未被探索的部分與其他部分分開。SEI可以防止其他化學反應，防止電極被腐蝕，保證鋰離子盡可能平穩的移動。如果引入硅陽極，當我們用電池給其他設備充電時，SEI每次都會分解，每次充電都會重新形成。在每個充電周期中，都會消耗一些硅。最終硅的消耗會達到一定程度，然后電池就不能再用了。過去10年，一些硅谷創業公司一直在尋找解決方案。例如，Sila Nano發現了一種將硅原子封裝在納米殼中的方法，這種納米殼包含許多“空房間”。這樣在殼層外部會形成SEI，內部會發生硅原子的膨脹，每次充放電都不會破壞SEI。估值3.5億美元的Sila Nano曾表示，該技術最快將于2020年用于設備。還有Enovix，它引入了特殊的制造技術，將100%硅陽極置于極大的物理壓力環境中，迫使其盡可能少的吸收鋰離子，這樣陽極的膨脹就會受到限制，防止SEI損傷。Enovix獲得了英特爾和高通的投資，預計其開發的電池將在2020年用于設備。從這些企業的研究來看，硅陽極達不到理論上的高能量密度。然而，兩家公司都表示，他們的電極性能優于石墨陽極。第三方正在測試電池。安全挑戰為了充更多的能量，分子被修復，可能會影響安全。鋰離子電池自發明以來，總是因為起火而惹禍上身。上世紀90年代，加拿大莫利能源開始將鋰鐵電池用于手機，并正式商用。然而，在現實世界中，電池存在火災隱患，莫利被迫召回產品，最終公司申請破產。該公司的部分資產被中國省的企業收購，Moli仍以E-One Moli Energy的品牌銷售鋰電池。最近三星Galaxy Note 7也因為電池起火被召回。手機配有鋰離子電池。2016年召回時，三星損失了53億美元。鋰離子電池仍然存在火災隱患，因為它們大多使用易燃液體作為電解質。不幸的是，液體很容易傳輸離子，但很容易著火。一種方法是使用固體電解質。然而，固體電解質也有其他缺點。固體更硬。可以想象，把骰子扔到水和沙子里。在水中，它會比沙子接觸更多的表面。目前只有低能量環境才會使用固體電解質鋰離子電池，比如互聯傳感器。為了擴大固態電池的應用范圍，人們一般有兩種選擇:一是高溫固體聚合物，二是室溫陶瓷。下面依次解釋:高溫固體聚合物:聚合物是一個長分子鏈連接在一起。在日常應用中，這種材料很常見，塑料袋是由聚合物制成的。有些聚合物加熱后會變成液體，但不像液體電解質那樣易燃。換句話說，它們具有高離子電導率，就像液體電解質一樣，但沒有易燃的風險。不幸的是，聚合物也有其自身的局限性。它們只能在105相機度以上工作，不適合手機。然而，我們可以將其引入家用電池中，以存儲電網能量。至少有兩家公司在發展，一家是SE……另一個是法國的Bollor，這兩家公司都在開發使用高溫聚合物作為電解質的新型固態電池。室溫陶瓷:在過去的10年里，有兩種陶瓷向我們證明了它們的離子導電性在室溫下和液體一樣好。一種是LLZO(鋰、鑭、氧化鋯)，另一種是LGPS(鋰、鍺、硫化磷)。豐田和硅谷初創公司QuantumScape都在開發陶瓷鋰離子電池。卡內基梅隆大學的專家維斯瓦納坦(Viswanathan)表示:“在未來兩三年內，我們極有可能看到一些真正的陶瓷電池出現。”最后，僅僅是平衡電池就是一個大生意，而且市場規模還在增長。哪里有錢，創業者就會蜂擁而至，帶來各種想法。但電池創業公司處境艱難，因為失敗率比軟件公司高。為什么？在材料科學領域取得突破是非常困難的。電池化學家發現，當他們試圖增加一極(如能量密度)時，另一極就會被削弱(如安全性)。因為要保持平衡，各方面的進步會很難很慢，也會帶來很多問題。不過，瞄準電池的專家越來越多，這是個好消息。麻省理工學院的專家Yet-Ming Chiang表示，與10年前相比，美國研究電池的科學家增加了一倍，成功的機會也增加了。電池的潛力是相當巨大的。考慮到挑戰和難度很大，當我們聽到有人說新電池有多好的時候，我們最好用懷疑的眼光去看待它。電動飛機可能成為航空的未來。理論上，電動飛機比傳統飛機更安靜、更便宜、更環保。如果一架電動飛機一次充電可以飛行1000公里，就可以完成今天將近一半的商業任務，減少全球航空碳排放15%。電動汽車也是如此。事實上，電動車不僅環保，而且是更好的汽車。電機噪音小，能快速響應駕駛員的指令。給汽車充電的費用比燒油便宜多了。電動車運動部件少，所以維護成本更低。為什么電動車還沒有普及？因為電池太貴，買電動車的前期投入比買一輛類似的汽油車要大。除非你一直開著車，否則省下來的油錢不足以覆蓋前期支付成本。簡單來說，電動車還是不夠經濟。根據重量或體積，目前的電池還不能用來驅動客機。人類需要在電池技術上有所突破，才能真正普及。電池便攜設備改變了我們的生活，但電池受到物理原理的限制。1799年，人類發明了第一塊電池，從那以后我們對它的研究已經持續了兩個多世紀，但是科學家們仍然不能完全理解設備內部發生了什么。我們只是知道，要想讓電池再次改變我們的生活，有三個問題需要解決:電力、能源、安全。沒有萬能的鋰電池。每個鋰電池都有兩極:陰極和陽極。大多數鋰電池的陽極由石墨制成，但陰極由許多不同的材料制成，這取決于電池的使用場合。從下圖可以看出不同正極材料對電池性能的影響。

動力的挑戰很多時候，我們經常把“能量”和“動力”混為一談，但是說到電池，它們的含義就有點不一樣了。功率代表能量的釋放速度。我們稱之為權力。如果你想讓一架公務機一次飛行1000公里，你需要一個強大的電池在極短的時間內釋放足夠的能量，尤其是在起飛的時候。因此，在電池中儲存大量能量是不夠的，還要以非常快的速度釋放出來。要想解決動力問題，就要深入了解一些商用電池的內部結構。我們總是炒作新的電池技術，主要是沒有深入觀察內部細節。在我們使用的電池中，最常見的化學物質是鋰離子。大多數專家認為，在未來10年甚至更長的時間內，沒有任何其他化學物質可以打敗鋰。鋰離子電池有兩個電極(陰極和陽極)，一個隔膜(一種包含……cts離子而不是電子來防止短路)，它放置在中心，電解質(通常是液體)允許鋰離子在兩個電極之間來回流動。當電池充電時，離子從陰極流向陽極，當電池放電時，離子向相反方向移動。

我們不妨把它想象成兩塊面包，左邊一塊是陰極，右邊一塊是陽極。我們不妨假設陰極由鎳、錳、鈷片(NMC)組成，陽極由石墨組成，相當于一層一層地堆積碳原子。在放電狀態下，NMC面包層間會有鋰離子夾層。當電池充電時，鋰離子從夾層中被提取出來，并被迫通過液體電解質。隔板確保只有鋰離子能夠穿過石墨層。當電池充滿電后，負極不會再有鋰離子，它們都整齊地排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時，鋰離子流回陰極，直到陽極沒有鋰離子。這時候我們再給電池充電。本質上，電池的功率是由處理速度決定的。加速沒那么簡單。鋰離子從陰極被提取出來。如果速度太快，會損壞圖層。正因如此，手機、筆記本、電動車使用時間越長，電池壽命越短。每次充放電都會讓“面包塊”變得脆弱。許多公司都在尋找更好的解決方案。一種想法是用一種結構更強的物質代替電極層。例如，瑞士電池公司Leclanché正在開發一種技術，該技術使用磷酸亞鐵鋰(LFP)作為陰極并具有橄欖石結構，使用鈦酸鋰氧化物(LTO)作為陽極，并具有尖晶石結構。用這種材料做電池，鋰離子流動效率更高。目前，Leclanché已經將自己的電池放入無人駕駛叉車中，9分鐘就可以充滿100%的電。相比特斯拉超級充電器，特斯拉汽車充50%電需要10分鐘左右。在英國，Leclanché正在部署并希望在快速充電電動汽車上安裝自己的電池。電池安裝在充電站，慢慢從電網吸收電力，直到充滿電。當汽車進站時，蓄電池會快速給汽車蓄電池充電。車走了，充電站的電池又開始充電了。Leclanché的研究向我們證明，人類完全有可能找到更好的電池化學物質，增強電池電量。但到目前為止，人類還沒有找到一種能夠足夠快地釋放能量以滿足商用飛機需求的電池。一些初創公司正在開發可容納12人的小型飛機。他們可以安裝能量密度更低的電池，或者起飛時使用燃料、巡航時使用電池的電動混合動力飛機。遺憾的是，雖然研究公司很多，但沒有一家接近商業化。卡內基梅隆大學的電池專家Venkat Viswanathan表示，純電動商用飛機所需的電池可能需要幾十年才能研發出來。能源挑戰Model 3是特斯拉最便宜的汽車，起價3.5萬美元。配備50千瓦時電池的汽車售價約為8750美元，占汽車總價的25%。相比往年，這樣的成本下降了不少。根據彭博新能源財經的報告，2018年鋰離子電池的平均成本約為每千瓦時175美元，2010年約為1200美元。根據美國能源部的計算，一旦電池成本降至每千瓦時125美元，擁有和使用電動汽車的成本將低于汽油車，至少在世界大部分地區是如此。并不是說電動車會在所有細分市場和主要市場完全打敗汽油車。比如不適合長壽命的卡車用電池驅動。但是如果到了這個轉折點，大家選擇電動汽車會變得更容易，因為從經濟角度來說是可以接受的。達到這個轉折點的一個方法是增加電池的能量密度，將更多的千瓦時擠壓到電池組中。理論上，我們可以在電池化學中做到這一點，要么提高陰極的能量密度，要么提高陽極的能量密度，或者提高……他同一時間。

在商業材料中，能量密度最高的陰極是NMC 811(數字代表鎳、錳和鈷的比例)。然而，這種電極仍然不是完美的。最大的問題是電池充放電循環次數相對較少，然后就用不上了。然而，專家預測，在未來五年內，行業研究人員將解決NMC 811問題。如果真的做到了，使用NMC 811的電池能量密度將提高10%甚至更多。不過，10%的漲幅并不算多。在過去的幾十年里，有很多創新，陰極的能量密度確實增加了。現在機會在陽極。

在制作陽極時，石墨仍然占主導地位。便宜，可靠，能量密度也可以接受，這是它的優勢。然而，與硅和鋰等其他潛在的陽極材料相比，石墨在堆疊時相對易碎。從理論上講，硅比石墨更好地吸收鋰離子。正因為如此，一些企業在設計陽極時會試圖將部分硅擠入石墨中；特斯拉首席執行官馬斯克曾表示，他的公司正在開發這種電池。如果能制造出商業上可行的硅陽極(完全由硅制成),那將是一大進步。但是由于硅本身的一些特性，很難做到。石墨吸收鋰離子時，體積不會有太大變化。如果是硅陽極，同樣條件下會膨脹4倍。可惜不能只把外殼擴大來適應膨脹，這樣也會破壞硅陽極的“SEI”。你可以把SEI想象成一個保護層，它可以保護陽極，就像鐵生成鐵銹，叫做氧化鐵，它可以起到保護作用。外面多了一層，和氧氣的反應就會慢下來。生銹的情況下，鐵的氧化速度會變慢，內部會更堅固。當電池第一次充電時，電極會形成自己的“銹”層，即SEI，它會將電極未被探索的部分與其他部分分開。SEI可以防止其他化學反應，防止電極被腐蝕，保證鋰離子盡可能平穩的移動。如果引入硅陽極，當我們用電池給其他設備充電時，SEI每次都會分解，每次充電都會重新形成。在每個充電周期中，都會消耗一些硅。最終硅的消耗會達到一定程度，然后電池就不能再用了。過去10年，一些硅谷創業公司一直在尋找解決方案。例如，Sila Nano發現了一種將硅原子封裝在納米殼中的方法，這種納米殼包含許多“空房間”。這樣在殼層外部會形成SEI，內部會發生硅原子的膨脹，每次充放電都不會破壞SEI。估值3.5億美元的Sila Nano曾表示，該技術最快將于2020年用于設備。還有Enovix，它引入了特殊的制造技術，將100%硅陽極置于極大的物理壓力環境中，迫使其盡可能少的吸收鋰離子，這樣陽極的膨脹就會受到限制，防止SEI損傷。Enovix獲得了英特爾和高通的投資，預計其開發的電池將在2020年用于設備。從這些企業的研究來看，硅陽極達不到理論上的高能量密度。然而，兩家公司都表示，他們的電極性能優于石墨陽極。第三方正在測試電池。安全挑戰為了充更多的能量，分子被修復，可能會影響安全。鋰離子電池自發明以來，總是因為起火而惹禍上身。上世紀90年代，加拿大莫利能源開始將鋰鐵電池用于手機，并正式商用。然而，在現實世界中，電池存在火災隱患，莫利被迫召回產品，最終公司申請破產。該公司的部分資產被中國省的企業收購，Moli仍以E-One Moli Energy的品牌銷售鋰電池。最近三星Galaxy Note 7也因為電池起火被召回。手機配有鋰離子電池。2016年召回時，三星損失了53億美元。鋰離子電池仍然存在火災隱患，因為它們大多使用易燃液體作為電解質。不幸的是，液體很容易傳輸離子，但很容易著火。一種方法是使用固體電解質。然而，固體電解質也有其他缺點。固體更硬。可以想象，把骰子扔到水和沙子里。在水中，它會比沙子接觸更多的表面。目前只有低能量環境才會使用固體電解質鋰離子電池，比如互聯傳感器。為了擴大固態電池的應用范圍，人們一般有兩種選擇:一是高溫固體聚合物，二是室溫陶瓷。下面依次解釋:高溫固體聚合物:聚合物是一個長分子鏈連接在一起。在日常應用中，這種材料很常見，塑料袋是由聚合物制成的。有些聚合物加熱后會變成液體，但不像液體電解質那樣易燃。換句話說，它們具有高離子電導率，就像液體電解質一樣，但沒有易燃的風險。不幸的是，聚合物也有其自身的局限性。它們只能在105相機度以上工作，不適合手機。然而，我們可以將其引入家用電池中，以存儲電網能量。至少有兩家公司在發展，一家是SE……另一個是法國的Bollor，這兩家公司都在開發使用高溫聚合物作為電解質的新型固態電池。室溫陶瓷:在過去的10年里，有兩種陶瓷向我們證明了它們的離子導電性在室溫下和液體一樣好。一種是LLZO(鋰、鑭、氧化鋯)，另一種是LGPS(鋰、鍺、硫化磷)。豐田和硅谷初創公司QuantumScape都在開發陶瓷鋰離子電池。卡內基梅隆大學的專家維斯瓦納坦(Viswanathan)表示:“在未來兩三年內，我們極有可能看到一些真正的陶瓷電池出現。”最后，僅僅是平衡電池就是一個大生意，而且市場規模還在增長。哪里有錢，創業者就會蜂擁而至，帶來各種想法。但電池創業公司處境艱難，因為失敗率比軟件公司高。為什么？在材料科學領域取得突破是非常困難的。電池化學家發現，當他們試圖增加一極(如能量密度)時，另一極就會被削弱(如安全性)。因為要保持平衡，各方面的進步會很難很慢，也會帶來很多問題。不過，瞄準電池的專家越來越多，這是個好消息。麻省理工學院的專家Yet-Ming Chiang表示，與10年前相比，美國研究電池的科學家增加了一倍，成功的機會也增加了。電池的潛力是相當巨大的。考慮到挑戰和難度很大，當我們聽到有人說新電池有多好的時候，我們最好用懷疑的眼光去看待它。

標簽：特斯拉世紀豐田發現Model 3

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