鉅大LARGE | 點擊量：533次 | 2021年10月22日
新能源時代到來前，電池的創新競賽到哪一步了？
很難想象假如生活中沒有了電池會是什么樣子。且不說滿大街送外賣的快遞小哥要急紅了眼，大多數已經患上“電子產品重度依賴晚癌”的現代人顯然無法適應沒有了愛瘋、PSP的日子；放眼望去，滿大街溜溜跑的純電動汽車失去了用武之地，由一塊小小的電池建構起的現代生活似乎瞬間分崩離析...
《經濟學人》近日推出年度科技專刊，對鋰離子電池技術的發展進行了回顧，同時介紹了目前鋰離子電池領域進行的前沿創新，對未來家用/工業級儲能電池產業亦有探討，車云菌獨家編譯，并有所刪減。
只要經常各地飛的朋友們不難發現，機場里除了咖啡館和各種餐館常常人滿為患，大家候機時最喜歡待得地方，莫過于各個登機口旁邊放置的充電柱，因為現在無論哪個牌子的智能手機，假如持續使用，續航都超不過6~8個小時；而面對市場上眾多品牌的電動汽車型，單次充電續航里程的多少，也成了消費者購買電動汽車的重要衡量標準，甚至「里程焦慮」（RangeAnxiety）這樣的詞匯也應運而生。原地踏步？
像電池這種在現代生活中扮演著重要角色的儲能產品，卻遲遲跟不上前沿科技快速前進的腳步，而裸的現實只會令人更加郁悶，特別是硅谷很多創業家對電池技術的發展缺乏類似“摩爾定律（Moore'sLaw）”這樣的理論支撐而深感惋惜。
「摩爾定律」是由英特爾聯合創始人戈登·摩爾于1965年提出的，他預測“計算機芯片每18個月性能都會翻倍，但成本卻在逐漸降低”。對英特爾這樣的芯片商而言，摩爾定律的出現反倒成了刺激其技術突破的外部力量，所以電池產業亟待一場能夠帶來翻天覆地變化的革命力量。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
誠然，我們日常使用的電池已經在性能上有了大幅提升，但是相比摩爾定律描述的芯片技術的革新速度，仍相差萬里。目前大多數移動電子設備和電動汽車都靠鋰離子電池功能，而正是索尼在20世紀90年代將其實現了商業化生產。在過去的幾年里，鋰離子電池的重量越來越輕，但容量和性能卻與日俱增，像蘋果MacBookAir使用的大尺寸鋰離子電池，在正常工作模式下，可實現12小時的超長待機。美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory），電化學技術小組負責人VincentBattaglia認為“鋰離子電池是一種近乎理想的電池”。因為鋰是地球上重量最輕的金屬，相比鉛、鋅和鎳鎘這些比重更大的替代品，它攜帶電子的能力更勝一籌。此外，鋰離子電池不會出現鎳鎘電池的“記憶效應”，所以你完全不必等電量耗盡，隨充隨用也不用擔心會對電池造成傷害。
但現在的焦點其實在鋰離子電池自身的相對短板上。鋰的過于活潑導致安全性問題，能量密度偏低，儲電成本偏高等。
盡管目前很多科研人員都在努力嘗試，但大家面對的重要問題在于如何將理想化的實驗成果轉化為可大批量生產的、日常生活能夠使用的電池產品。由于在電極材料的選擇和制造工藝上，并無大幅改觀，因此不少科學家對鋰離子電池能量密度是否能在現有水平上得到進一步提升，仍持保留意見。
有關鋰離子電池電極、電解質的各種創新
目前Battaglia博士領導的實驗小組正在研究一種名為“過渡金屬”（transitionmetals）的材料。這是一種由金屬錳、鎳、鈷和石墨組成的混合物，可用來充當鋰離子電池的電極。Battaglia表示只要找到上述四種金屬的最佳配比，就能夠有效提高原有鋰離子電池的能量密度。相比開發一款全新電池產品所耗費的精力和財力，這種「借力」的方式實在是有夠機智！
其他機構的研究人員則探索了多種提高電池能量密度的方式。來自美國斯坦福大學的崔毅和他的同事們正在開發一種薄膜，它的厚度只有原子大小，可用來包裹電池陽極。據悉，經過薄膜包裹處理后的陽極能夠承載鋰離子的數量大幅新增，同時搭配用硫制成的陰極（硫，和金屬鋰類似，有著很高的能量密度），其存儲的電能總量約為同質量鋰離子電池的5倍。
無獨有偶，美國橡樹嶺國家實驗室的梁誠度（音譯）及其研究團隊有著類似的實驗成果。他們正在開發的一款鋰硫電池并沒有采用傳統液態或膠狀的電解質，而是“劍走偏鋒”的使用了固態電解質，這使得電池本身會變得更加穩定，即使能量密度大幅提升也不用擔心出現過熱起火的事故。不過遺憾的是，即便這些電池目前已經具備了商業化的條件，但在正式推向市場之前，還有著很長的一段路要走。其實，一些體積非常小的固態電池在小型裝置和傳感器上并不陌生，它們經常被用作微型芯片的備用電源。不過這種固態電池的生產方式和傳統鋰離子電池大為不同，和半導體的制作工藝頗為相似，即將電池材料通過「印刷」的方式置于底層基板上。
盡管這種固態電池的能量密度極高，但如若生產用于手機和電動汽車使用的大型產品，成本造價則太過昂貴。為此，已經有很多公司在積極嘗試改變這一現狀。Sakti3作為密歇根州本土的一家電池供應商，目標是將“鋰-*電池”每千瓦時的儲能費用降至100美元左右，而英國知名吸塵器制造商戴森近日則為這家公司注資1500萬美金，用于支撐該研究項目的進行。此外，德國大眾集團數月前曾購入一家位于硅谷、致力于固態電池研究的初創公司——QuantumScape的5%股權。
從理論上來看，鋰空氣電池的能量密度最高，而空氣的使用則會大幅降低該電池的重量。盡管研究人員數年一直在嘗試制作類似的鋰離子電池，但目前還只是停留在試驗階段，尚無任何可投入商用的重大成果推出。
工業、家居儲能電池的發展
當然，在某些特定情況下，電池重量并不是什么問題，而此時金屬「鋰」也面對著大波的競爭對手。目前，很多公司都在研發可存儲電網過剩電能的巨型電池，這對仍處于階段性發展的可再生能源市場會出現不同程度的沖擊。隨著工業現代化時代的到來，很多電力公司在用電高峰期表現出了「力不從心、疲于應對」的狀態，假如某些用電需求不高的地區能夠將冗余電量隨時存儲起來，那么整個電網系統的負荷也將得到有效平衡，可謂物美價廉的解決方法。但目前僅有不到0.01%的過剩電能被存儲了起來，而任何一家商業電力公司都有在發電之初或輸送過程中儲存電能的能力。EOS能源存儲公司副總裁PhilippeBouchard表示紐約和加州的電力公司已經在使用其公司推出的類似大型集裝箱的鋅離子電池用于冗余電量的儲存，該電池造價僅160美元/千瓦時，對電網級別的儲能產品而言，有著無可比擬的成本競爭優勢。
其他像美國通用電氣、韓國LG，日本NEC，德國戴姆勒，特斯拉以及初創公司AquionEnergy都已經陸續進入了大型儲能電池這片行業藍海，而崛起于卡內基梅隆大學的AquionEnergy甚至得到了前微軟聯合創始人比爾·蓋茨等一眾大佬的資金支持。
這樣的電池產品其實完全可以在家用以及商用領域進行「大肆」推廣。設想一下，電池系統能夠在用電波谷期將電網冗余電能儲存起來，既保證了用電高峰期電網系統的穩定，同時還能大幅節省用電支出。而可再生的太陽能和風能轉化為電能后，完全可以在電網負荷較重時「回輸」，以換取電費折扣。如此一來，一些小型商戶和家庭完全可以體驗「脫網」時代的生活了。那么能夠用于家庭的小型電能存儲系統除鋰離子、鋅離子電池之外，還有沒有其他選擇呢？這里要談談大家可能并不太熟悉的液流電池（flowbattery）。
液流電池通常包含兩個容器，其中貯存有液體化學溶劑，形成兩個次系統。這兩個次系統間的連接部分，為發電區，以薄膜相隔。這兩種化學溶劑，流動到發電區，隔著薄膜，出現離子交換，透過這種方式來進行充放電。
從理論上來講，液流電池的能量密度取決于存放電解液容器的大小，因此將其制成固定式家用產品并沒有太大困難。哈佛大學教授MichaelAziz帶領的研究團隊一直在進行可接入電網的工業級液流電池產品的開發，但近日其表示有望推出一款安全、價格低廉、約莫電暖氣大小、可放在地下室使用的家用產品。
目前多數液流電池產品控制電解液進出的節流泵仍由貴金屬制成，這使得其造價一直居高不下。但來自哈佛大學的團隊表示之所以他們開發的系統有著巨大的商業化潛力，是因為整個液流電池系統使用了一種通過自然形成的有機材料“醌類”代替常規金屬泵，它和動植物體內的儲能分子有著相似的功能和性質，可大幅降低液流電池的制造成本。不過，據Aziz教授稱，為了提高電池性能，他們使用了溴這種毒性很大的材料充當電極，但整個團隊有信心未來找到可用于制作電極的有機材料。
由此來看，屬于液流電池的時代仍未到來。而在此之前，假如鋰離子電池的造價能夠再低一些，它完全是替代那些寫字樓里笨重但相對便宜的蓄電池的不二之選，畢竟輕量化、緊湊的設計，以及理想的能量密度，具有非常吸引人的競爭優勢。
這不正是“鋼鐵俠”伊隆·馬斯克所暢想的鋰離子電池的光明前景嗎？作為一家只生產純電動汽車的“非主流”車企，特斯拉將投資50億美金聯合松下集團在內華達州共建一座超級電池廠。正式投產預計明年開始，按照特斯拉官方公布的計劃，截止到2020年，超級電池廠的產量將能夠滿足50萬輛車子的正常交付需求。
在面對鋰離子電池的技術革新問題上，似乎特斯拉并沒有斥巨資進行高容量密度產品的研究。馬斯克認為技術的穩步提升以及生產的高效進行都能夠使鋰離子電池成本下降約30%，同時也有助于特斯拉銷售更多的電動汽車型。當然，超級電池廠的一部分產品也將用作家庭以及工商業級別的儲能設備使用。四月底，特斯拉公布了醞釀已久的能源計劃，同時第一款針對家庭使用、容量為10千瓦時的固定式家用電池Powerwall已經開放預訂，售價為3500美金（不包括控制系統以及整體安裝費用）。
