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電池市場挑戰不斷,三大難題待破!

2019-06-11 10:53 來源:電源網綜合 編輯:Angelina

為什么電動汽車還沒有普及呢?因為電池太昂貴,購買電動汽車的前期投入比相似的汽油汽車更大。除非你老是開著汽車,否則省下的汽油錢還不夠彌補前期支付成本的。簡單來說,電動汽車仍然不夠經濟。

事實上,電動汽車不只環保,而且它還是更棒的汽車。電機幾乎沒有什么噪音,能夠快速響應司機的命令。給汽車充電的成本比燒油便宜得多。電動汽車只有很少的活動部件,維護成本更低。

按重量或者體積計算,目前的電池還無法用來驅動客機。人類需要在電池技術上取得突破,然后它們才能真正流行。

不過,電動飛機可能會成為航空的未來。從理論講,電動飛機相比傳統飛機更安靜、更便宜、更環保。如果充電一次電動飛機能夠飛1000公里,它就可以完成今天近一半的商務飛行任務,讓全球航空碳排放削減15%。

電池市場挑戰不斷,三大難題待破!

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,人類發明第一塊電池,自此之后的兩個多世紀,我們不斷研究,但是科學家仍然無法完全理解設備內部到底發生了什么。我們只是知道,如果想讓電池再次改變我們的生活,有三個問題需要解決:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

每一塊鋰電池都有兩極:陰極和陽極。大多鋰電池的陽極是用石墨制造的,陰極卻有多種不同的材料,具體要看電池用在哪里。從下面這張圖中,你可以看到不同的陰極材料對電池性能的影響。

電池市場挑戰不斷,三大難題待破!

一、功率的挑戰

許多時候,我們經常會將“Energy”和“Power”混用,不過放在電池上,二者的含義有點不同。Power代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。

如果想讓商務噴氣式飛機充電一次飛1000公里,需要強大的電池,在非常短的時間內釋放足夠大的能量,在起飛時尤其如此。所以說,光是在電池中存儲大量能量還不夠,還要以很快的速度釋放。

如果想解決功率問題,就要深入了解一些商務電池的內部結構。我們總是炒作新電池技術,主要是因為我們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。大多專家認為,在未來10年甚至更長的時間內,沒有其它化學物質可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個電極(陰極和陽極),還有一個分離器(一種傳導離子而非電子的材料,可以防止短路),分離器放在中央,還有電解液(通常是液體),它讓鋰離子在兩極之間來回流動。當電池充電時,離子從陰極流向陽極,當電池放電時,離子向相反的方向移動。

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我們不妨將它想象成兩塊面包,左邊一塊是陰極,右邊一塊是陽極。我們不妨假定陰極是由鎳、錳、鈷片(NMC)組成的,陽極是由石墨組成的,它相當于讓碳原子一層一層疊加。

在放電狀態下,NMC面包在夾層之間會有鋰離子夾心。電池充電時,鋰離子從夾層中提取,被迫穿過液體電解質。分離器確保只有鋰離子能穿過石墨層。當電池完全充滿電,陰極不會有再有任何鋰離子,它們全都整齊排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時,鋰離子向陰極回流,直到陽極沒有任何鋰離子。此時我們就要再次給電池充電了。

從本質上講,電池的功率是由處理速度的快慢決定的。要想加快速度沒有那么簡單。將鋰離子從陰極中抽取,如果速度太快,層會受損。正因如此,手機、筆記本、電動汽車使用時間越長,電池壽命也全變短。每一次充電放電,都會讓“面包塊”變得脆弱。

許多公司正在尋找更好的解決方案。有一種構想是這樣的:用結構更堅固的物質替代電極層。例如,瑞士電池公司Leclanché正在開發一種技術,它用磷酸鐵鋰(LFP)作為陰極,擁有橄欖石型結構,用鋰鈦氧化物(lithium titanate oxide,LTO)作為陽極,它擁有尖晶石型結構。用這樣的材料制作電池,鋰離子流動效率更高。

目前Leclanché已經將自己的電池裝進無人駕駛叉車,9分鐘就能充滿100%的電量。對比特斯拉超級充電器,它給特斯拉汽車充滿50%的電量大約要10分鐘。在英國,Leclanché正在部署,想將自己的電池裝到快速充電電動汽車上。電池裝在充電站,緩慢從電網吸收電量,直到完全充滿。當汽車入站,電池會給汽車電池快速充電。當汽車離開,充電站的電池又開始充電。

Leclanché’s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,增強電池功率。不過到目前為止,人類還沒有找到能量釋放足夠快、可以滿足商務飛機需要的電池。一些創業公司正在開發小型飛機,最多可以坐12人,它們可以安裝能量密度更低的電池,或者是電力混動飛機,當飛機起飛時用燃油,巡航時用電池。

可惜,雖然研究的公司很多,但沒有一門技術接近商用。卡耐基梅隆大學電池專家Venkat Viswanathan說,純電動商務飛機需要的電池可能還要幾十年才能研究出來。

二、能量挑戰

Model 3是特斯拉最便宜的汽車,起步價35000美元。汽車裝備50千瓦時電池,成本大約8750美元,占了汽車總價的25%。

相比前幾年,這樣的成本已經降了很多。根據彭博新能源財經的報告,2018年鋰離子電池的平均成本大約是每千瓦時175美元,2010年約為1200美元。

按照美國能源部的計算,一旦電池成本降到每千瓦時125美元,擁有并使用一輛電動汽車的成本就會汽油汽車低,至少在全球大多地區如此。并不是說到時在所有細分市場及主要市場,電動汽車會全面戰勝汽油汽車,比如,長續航卡車用電池驅動還不是很合適。不過如果到了這一轉折點,大家選擇電動汽車就會變得更容易,因為從經濟角度看已經可以接受了。

要想達到這一轉折點,有一個辦法就是增加電池的能量密度,向電池組擠入更多的千瓦時。從理論上講,我們在電池化學方面是可以做到的,要么增強陰極的能量密度,要么增強陽極的能量密度,要么同時提升。

電池市場挑戰不斷,三大難題待破!

在商用材料中,能量密度最高的陰極是NMC 811(數字代表鎳、錳和鈷的比例)。不過這種電極仍然不完美。最大的問題是電池的充放電循環次數相對較少,然后就沒法用了。不過專家預測,在未來5年內,行業研究人員將會解決NMC 811問題。如果真的做到,使用NMC 811的電池能量密度將會提高10%甚至更多。

盡管如此,提升10%也并不是很多。在過去幾十年里,出現不少創新,陰極的能量密度的確提高了,現在機會在于陽極。

電池市場挑戰不斷,三大難題待破!

制造陽極時,石墨仍然占主導地位。便宜、可靠、能量密度也可以,這是它的優勢。不過與其它潛在的陽極材料相比,比如硅、鋰,堆疊時石墨相對比較脆弱。

從理論上講,硅吸收鋰離子時比石墨更好。正因如此,一些企業設計陽極時,才會嘗試向石墨內擠入一些硅;特斯拉CEO馬斯克曾說,他的公司正在開發此類電池。

如果能制造出在商業上可行的硅陽極(完全用硅制造),那會是一大進步。不過因為硅元素有一些自身特點,很難做到。當石墨吸收鋰離子時,體積不會有太大變化。如果是硅陽極,在相同的條件下會膨脹到原來的四倍。

真遺憾,你不能只是擴大外殼,讓它適應膨脹,膨脹還會破壞硅陽極“固體電解質膜”(SEI)。

你可以將SEI視為保護層,它可以保護陽極,就像鐵生成鐵銹一樣,也就是所謂的氧化鐵,它能起到保護作用。當外面多了一層,與氧氣的反應就會減速。在鐵銹之下,鐵的氧化速度會變慢,內部更堅固。

當電池第一次充電時,電極會形成自己的“鐵銹”層,也就是SEI,將電極未被侵蝕的部分與其它部分分離。SEI可以阻止其它化學反應,防止電極遭到侵蝕,確保鋰離子能夠盡可能平穩地移動。

如果引入硅陽極,當我們用電池給其它設備充電時,每一次SEI都會分解,每次充電之時再度形成。在每一個充電循環周期中,會有一些硅被消耗。最終,硅消耗會達到一定程度,然后電池就不能再用了。

在過去10年里,一些硅谷創業公司不斷尋找解決方案。例如,Sila Nano找到一種方法,它將硅原子封裝在納米殼內,里面有許多的“空房間”。這樣一來SEI就會在殼外形成,硅原子膨脹是在內部發生的,每次充放電循環時不會破壞SEI。Sila Nano的估值達到3.5億美元,它曾說技術最快2020年就會用于設備。

還有Enovix,它引入特殊制造技術,將100%的硅陽極置于極大的物理壓力環境,迫使它盡可能少吸收鋰離子,這樣一來陽極的膨脹就會受到限制,防止SEI損壞。Enovix拿到了英特爾、高通的投資,預計它開發的電池會在2020年用于設備。

從這些企業的研究看,硅陽極無法達到理論高能量密度。不過兩家公司都說,相比石墨陽極,它們的電極表現更好。第三方正在對電池進行測試。

三、安全挑戰

為了充入更多的能量,對分子進行修補,可能會影響安全。自發明以來,鋰離子電池總是因為起火引起麻煩。1990年代,加拿大Moli Energy開始將鋰鐵電池用于手機,正式商用,不過到了現實世界,電池存在起火隱患,Moli被迫召回產品,最終公司申請破產。公司一些資產被中國臺灣企業收購,Moli自己現在仍然打著E-One Moli Energy的品牌名義銷售鋰電池。

最近,三星Galaxy Note 7也因為電池起火被召回,手機裝備的是鋰離子電池。2016年召回時,三星損失53億美元。

鋰離子電池仍然有起火隱患,因為它們大多都用易燃液體作為電解質。真是不幸,液體能夠輕松運輸離子,但它們卻容易起火。有一種辦法就是使用固態電解質。不過固態電解質也有其它缺點。固體更堅硬,你不妨想象一樣,將骰子扔進水里和沙里,在水中它接觸的表面會比沙子多很多。

目前,只有低能耗環境才會用上固態電解質鋰離子電池,比如互聯傳感器。為了擴大固態電池的應用范圍,大家一般有兩個選擇:一是高溫固體聚合物,二是室溫陶瓷。

下面依次解釋一下:

高溫固體聚合物:聚合物是很長的分子鏈連接在一起。在日常應用中,這種材料很常見,塑料袋就是由聚合物組成的。當一些聚合物加熱之后會變得像液體一樣,不過它們不像液體電解質那么易燃。換言之,它們擁有很高的離子電導率,就像液體電解質一樣,但是沒有易燃風險。

可惜,聚合物也有自己的局限性。它們只能在105攝像度以上工作,不適合手機。不過我們可以在家用電池中引入,用來存儲電網電能。至少有兩家公司正在開發,一是美國SEEO,二是法國Bollor,它們都在開發新固態電池,用高溫聚合物作為電解質。

室溫陶瓷:在過去10年里,有兩種陶瓷向我們證明,在室溫環境下,它的離子導電率和液體一樣好,一是LLZO(鋰,鑭,氧化鋯),二是LGPS(鋰,鍺,硫化磷)。

豐田與硅谷創業公司QuantumScape都在開發陶瓷鋰離子電池。卡耐基梅隆大學專家Viswanathan說:“在未來2年或者3年,我們極有可能會看到一些真正的陶瓷電池出現。 “

四、最終只是平衡

電池是一項大業務,市場規模還在增長。錢在那里,企業家也就涌向那里,帶來各種創意。不過電池創業公司處境艱難,因為失敗率比軟件企業高。為什么?想在材料科學領域取得突破是一件很難的事。

電池化學家發現,當他們嘗試提高一極時(比如能量密度),另一極就會削弱(比如安全)。因為要保持平衡,想在各個方面取得進步就會很難,速度很慢,還會帶來多種問題。

不過瞄準電池的專家也越來越多,這是一個好消息。MIT專家 Yet-Ming Chiang說,與10年前相比,美國研究電池的科學家多了2倍,成功的機率上升了。電池的潛力相當巨大,考慮到挑戰很大,難度很高,當我們聽到某人說新電池有多好時,最好還是帶著懷疑的眼光審視一下。

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