电池大突破到底何时到来？三大难题难倒科学家

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电动飞机可能会成为航空的未来。从理论讲，电动飞机相比传统飞机更安静、更便宜、更环保。如果充电一次电动飞机能够飞1000公里，它就可以完成今天近一半的商务飞行任务，让全球航空碳排放削减15%。

电动汽车也一样。事实上，电动汽车不只环保，而且它还是更棒的汽车。电机几乎没有什么噪音，能够快速响应司机的命令。给汽车充电的成本比烧油便宜得多。电动汽车只有很少的活动部件，维护成本更低。

为什么电动汽车还没有普及呢？因为电池太昂贵，购买电动汽车的前期投入比相似的汽油汽车更大。除非你老是开着汽车，否则省下的汽油钱还不够弥补前期支付成本的。简单来说，电动汽车仍然不够经济。

按重量或者体积计算，目前的电池还无法用来驱动客机。人类需要在电池技术上取得突破，然后它们才能真正流行。

电池便携设备改变了我们的生活，但电池受到物理原理的限制。1799年，人类发明第一块电池，自此之后的两个多世纪，我们不断研究，但是科学家仍然无法完全理解设备内部到底发生了什么。我们只是知道，如果想让电池再次改变我们的生活，有三个问题需要解决：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。

没有万能锂电池

每一块锂电池都有两极：阴极和阳极。大多锂电池的阳极是用石墨制造的，阴极却有多种不同的材料，具体要看电池用在哪里。从下面这张图中，你可以看到不同的阴极材料对电池性能的影响。

功率的挑战

许多时候，我们经常会将“Energy”和“Power”混用，不过放在电池上，二者的含义有点不同。Power代表能量的释放速度。我们管它叫功率。

如果想让商务喷气式飞机充电一次飞1000公里，需要强大的电池，在非常短的时间内释放足够大的能量，在起飞时尤其如此。所以说，光是在电池中存储大量能量还不够，还要以很快的速度释放。

如果想解决功率问题，就要深入了解一些商务电池的内部结构。我们总是炒作新电池技术，主要是因为我们没有深入观察内部细节。

在我们使用的电池中，最常见的化学物质是锂离子。大多专家认为，在未来10年甚至更长的时间内，没有其它化学物质可以击败锂最子。锂离子电池有两个电极（阴极和阳极），还有一个分离器（一种传导离子而非电子的材料，可以防止短路），分离器放在中央，还有电解液（通常是液体），它让锂离子在两极之间来回流动。当电池充电时，离子从阴极流向阳极，当电池放电时，离子向相反的方向移动。

我们不妨将它想象成两块面包，左边一块是阴极，右边一块是阳极。我们不妨假定阴极是由镍、锰、钴片(NMC)组成的，阳极是由石墨组成的，它相当于让碳原子一层一层叠加。

在放电状态下，NMC面包在夹层之间会有锂离子夹心。电池充电时，锂离子从夹层中提取，被迫穿过液体电解质。分离器确保只有锂离子能穿过石墨层。当电池完全充满电，阴极不会有再有任何锂离子，它们全都整齐排列在石墨块之间。当电池释放电能时，锂离子向阴极回流，直到阳极没有任何锂离子。此时我们就要再次给电池充电了。

从本质上讲，电池的功率是由处理速度的快慢决定的。要想加快速度没有那么简单。将锂离子从阴极中抽取，如果速度太快，层会受损。正因如此，手机、笔记本、电动汽车使用时间越长，电池寿命也全变短。每一次充电放电，都会让“面包块”变得脆弱。

许多公司正在寻找更好的解决方案。有一种构想是这样的：用结构更坚固的物质替代电极层。例如，瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术，它用磷酸铁锂（LFP）作为阴极，拥有橄榄石型结构，用锂钛氧化物（lithium titanate oxide，LTO）作为阳极，它拥有尖晶石型结构。用这样的材料制作电池，锂离子流动效率更高。

目前Leclanché已经将自己的电池装进无人驾驶叉车，9分钟就能充满100%的电量。对比特斯拉超级充电器，它给特斯拉汽车充满50%的电量大约要10分钟。在英国，Leclanché正在部署，想将自己的电池装到快速充电电动汽车上。电池装在充电站，缓慢从电网吸收电量，直到完全充满。当汽车入站，电池会给汽车电池快速充电。当汽车离开，充电站的电池又开始充电。

Leclanché’s的研究向我们证明，人类完全有可能找到更好的电池化学物质，增强电池功率。不过到目前为止，人类还没有找到能量释放足够快、可以满足商务飞机需要的电池。一些创业公司正在开发小型飞机，最多可以坐12人，它们可以安装能量密度更低的电池，或者是电力混动飞机，当飞机起飞时用燃油，巡航时用电池。

可惜，虽然研究的公司很多，但没有一门技术接近商用。卡耐基梅隆大学电池专家Venkat Viswanathan说，纯电动商务飞机需要的电池可能还要几十年才能研究出来。

能量挑战

Model 3是特斯拉最便宜的汽车，起步价35000美元。汽车装备50千瓦时电池，成本大约8750美元，占了汽车总价的25%。

相比前几年，这样的成本已经降了很多。根据彭博新能源财经的报告，2018年锂离子电池的平均成本大约是每千瓦时175美元，2010年约为1200美元。

按照美国能源部的计算，一旦电池成本降到每千瓦时125美元，拥有并使用一辆电动汽车的成本就会汽油汽车低，至少在全球大多地区如此。并不是说到时在所有细分市场及主要市场，电动汽车会全面战胜汽油汽车，比如，长续航卡车用电池驱动还不是很合适。不过如果到了这一转折点，大家选择电动汽车就会变得更容易，因为从经济角度看已经可以接受了。

要想达到这一转折点，有一个办法就是增加电池的能量密度，向电池组挤入更多的千瓦时。从理论上讲，我们在电池化学方面是可以做到的，要么增强阴极的能量密度，要么增强阳极的能量密度，要么同时提升。

在商用材料中，能量密度最高的阴极是NMC 811（数字代表镍、锰和钴的比例）。不过这种电极仍然不完美。最大的问题是电池的充放电循环次数相对较少，然后就没法用了。不过专家预测，在未来5年内，行业研究人员将会解决NMC 811问题。如果真的做到，使用NMC 811的电池能量密度将会提高10%甚至更多。

尽管如此，提升10%也并不是很多。在过去几十年里，出现不少创新，阴极的能量密度的确提高了，现在机会在于阳极。

制造阳极时，石墨仍然占主导地位。便宜、可靠、能量密度也可以，这是它的优势。不过与其它潜在的阳极材料相比，比如硅、锂，堆叠时石墨相对比较脆弱。

从理论上讲，硅吸收锂离子时比石墨更好。正因如此，一些企业设计阳极时，才会尝试向石墨内挤入一些硅；特斯拉CEO马斯克曾说，他的公司正在开发此类电池。

如果能制造出在商业上可行的硅阳极（完全用硅制造），那会是一大进步。不过因为硅元素有一些自身特点，很难做到。当石墨吸收锂离子时，体积不会有太大变化。如果是硅阳极，在相同的条件下会膨胀到原来的四倍。

真遗憾，你不能只是扩大外壳，让它适应膨胀，膨胀还会破坏硅阳极“固体电解质膜”（SEI）。

你可以将SEI视为保护层，它可以保护阳极，就像铁生成铁锈一样，也就是所谓的氧化铁，它能起到保护作用。当外面多了一层，与氧气的反应就会减速。在铁锈之下，铁的氧化速度会变慢，内部更坚固。

当电池第一次充电时，电极会形成自己的“铁锈”层，也就是SEI，将电极未被侵蚀的部分与其它部分分离。SEI可以阻止其它化学反应，防止电极遭到侵蚀，确保锂离子能够尽可能平稳地移动。

如果引入硅阳极，当我们用电池给其它设备充电时，每一次SEI都会分解，每次充电之时再度形成。在每一个充电循环周期中，会有一些硅被消耗。最终，硅消耗会达到一定程度，然后电池就不能再用了。

在过去10年里，一些硅谷创业公司不断寻找解决方案。例如，Sila Nano找到一种方法，它将硅原子封装在纳米壳内，里面有许多的“空房间”。这样一来SEI就会在壳外形成，硅原子膨胀是在内部发生的，每次充放电循环时不会破坏SEI。Sila Nano的估值达到3.5亿美元，它曾说技术最快2020年就会用于设备。

还有Enovix，它引入特殊制造技术，将100%的硅阳极置于极大的物理压力环境，迫使它尽可能少吸收锂离子，这样一来阳极的膨胀就会受到限制，防止SEI损坏。Enovix拿到了英特尔、高通的投资，预计它开发的电池会在2020年用于设备。

从这些企业的研究看，硅阳极无法达到理论高能量密度。不过两家公司都说，相比石墨阳极，它们的电极表现更好。第三方正在对电池进行测试。

安全挑战

为了充入更多的能量，对分子进行修补，可能会影响安全。自发明以来，锂离子电池总是因为起火引起麻烦。1990年代，加拿大Moli Energy开始将锂铁电池用于手机，正式商用，不过到了现实世界，电池存在起火隐患，Moli被迫召回产品，最终公司申请破产。公司一些资产被中国台湾企业收购，Moli自己现在仍然打着E-One Moli Energy的品牌名义销售锂电池。

最近，三星Galaxy Note 7也因为电池起火被召回，手机装备的是锂离子电池。2016年召回时，三星损失53亿美元。

锂离子电池仍然有起火隐患，因为它们大多都用易燃液体作为电解质。真是不幸，液体能够轻松运输离子，但它们却容易起火。有一种办法就是使用固态电解质。不过固态电解质也有其它缺点。固体更坚硬，你不妨想象一样，将骰子扔进水里和沙里，在水中它接触的表面会比沙子多很多。

目前，只有低能耗环境才会用上固态电解质锂离子电池，比如互联传感器。为了扩大固态电池的应用范围，大家一般有两个选择：一是高温固体聚合物，二是室温陶瓷。

下面依次解释一下：

高温固体聚合物：聚合物是很长的分子链连接在一起。在日常应用中，这种材料很常见，塑料袋就是由聚合物组成的。当一些聚合物加热之后会变得像液体一样，不过它们不像液体电解质那么易燃。换言之，它们拥有很高的离子电导率，就像液体电解质一样，但是没有易燃风险。

可惜，聚合物也有自己的局限性。它们只能在105摄像度以上工作，不适合手机。不过我们可以在家用电池中引入，用来存储电网电能。至少有两家公司正在开发，一是美国SEEO，二是法国Bollor，它们都在开发新固态电池，用高温聚合物作为电解质。

室温陶瓷：在过去10年里，有两种陶瓷向我们证明，在室温环境下，它的离子导电率和液体一样好，一是LLZO（锂，镧，氧化锆），二是LGPS（锂，锗，硫化磷）。

丰田与硅谷创业公司QuantumScape都在开发陶瓷锂离子电池。卡耐基梅隆大学专家Viswanathan说：“在未来2年或者3年，我们极有可能会看到一些真正的陶瓷电池出现。 “

最终只是平衡

电池是一项大业务，市场规模还在增长。钱在那里，企业家也就涌向那里，带来各种创意。不过电池创业公司处境艰难，因为失败率比软件企业高。为什么？想在材料科学领域取得突破是一件很难的事。

电池化学家发现，当他们尝试提高一极时（比如能量密度），另一极就会削弱（比如安全）。因为要保持平衡，想在各个方面取得进步就会很难，速度很慢，还会带来多种问题。

不过瞄准电池的专家也越来越多，这是一个好消息。MIT专家 Yet-Ming Chiang说，与10年前相比，美国研究电池的科学家多了2倍，成功的机率上升了。电池的潜力相当巨大，考虑到挑战很大，难度很高，当我们听到某人说新电池有多好时，最好还是带着怀疑的眼光审视一下。

译者：小兵手

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