电池大突破到底何时到来？三大难题难倒科学家

电动飞机可能成为航空的未来。理论上，电动飞机比传统飞机更安静、更便宜、更环保。如果一架电动飞机一次充电可以飞行1000公里，就可以完成今天将近一半的商业任务，减少全球航空碳排放15%。电动汽车也是如此。事实上，电动车不仅环保，而且是更好的汽车。电机噪音小，能快速响应驾驶员的指令。给汽车充电的费用比烧油便宜多了。电动车运动部件少，所以维护成本更低。为什么电动车还没有普及？因为电池太贵，买电动车的前期投入比买一辆类似的汽油车要大。除非你一直开着车，否则省下来的油钱不足以覆盖前期支付成本。简单来说，电动车还是不够经济。根据重量或体积，目前的电池还不能用来驱动客机。人类需要在电池技术上有所突破，才能真正普及。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，人类发明了第一块电池，从那以后我们对它的研究已经持续了两个多世纪，但是科学家们仍然不能完全理解设备内部发生了什么。我们只是知道，要想让电池再次改变我们的生活，有三个问题需要解决:电力、能源、安全。没有万能的锂电池。每个锂电池都有两极:阴极和阳极。大多数锂电池的阳极由石墨制成，但阴极由许多不同的材料制成，这取决于电池的使用场合。从下图可以看出不同正极材料对电池性能的影响。

动力的挑战很多时候，我们经常把“能量”和“动力”混为一谈，但是说到电池，它们的含义就有点不一样了。功率代表能量的释放速度。我们称之为权力。如果你想让一架公务机一次飞行1000公里，你需要一个强大的电池在极短的时间内释放足够的能量，尤其是在起飞的时候。因此，在电池中储存大量能量是不够的，还要以极快的速度释放出来。要想解决动力问题，就要深入了解一些商用电池的内部结构。我们总是炒作新的电池技术，主要是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。大多数专家认为，在未来10年甚至更长的时间内，没有任何其他化学物质可以打败锂。锂离子电池有两个电极(阴极和阳极)，一个隔板(一种传导离子而不是电子以防止短路的材料)，它被放置在中心，一种电解质(通常是液体)允许锂离子在两个电极之间来回流动。当电池充电时，离子从阴极流向阳极，当电池放电时，离子向相反方向移动。

我们不妨把它想象成两块面包，左边一块是阴极，右边一块是阳极。我们不妨假设阴极由镍、锰、钴片(NMC)组成，阳极由石墨组成，相当于一层一层地堆积碳原子。在放电状态下，NMC面包层间会有锂离子夹层。当电池充电时，锂离子从夹层中被提取出来，并被迫通过液体电解质。隔板确保只有锂离子能够穿过石墨层。当电池充满电后，负极不会再有锂离子，它们都整齐地排列在石墨块之间。当电池释放电能时，锂离子流回阴极，直到阳极没有锂离子。这时候我们再给电池充电。本质上，电池的功率是由处理速度决定的。加速没那么简单。锂离子从阴极被提取出来。如果速度太快，会损坏图层。正因如此，手机、笔记本、电动车使用时间越长，电池寿命越短。每次充放电都会让“面包块”变得脆弱。许多公司……寻找更好的解决方案。一种想法是用一种结构更强的物质代替电极层。例如，瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术，该技术使用磷酸亚铁锂(LFP)作为阴极并具有橄榄石结构，使用钛酸锂氧化物(LTO)作为阳极，并具有尖晶石结构。用这种材料做电池，锂离子流动效率更高。目前，Leclanché已经将自己的电池放入无人驾驶叉车中，9分钟就可以充满100%的电。相比特斯拉超级充电器，特斯拉汽车充50%电需要10分钟左右。在英国，Leclanché正在部署并希望在快速充电电动汽车上安装自己的电池。电池安装在充电站，慢慢从电网吸收电力，直到充满电。当汽车进站时，蓄电池会快速给汽车蓄电池充电。车走了，充电站的电池又开始充电了。Leclanché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，增强电池电量。但到目前为止，人类还没有找到一种能够足够快地释放能量以满足商用飞机需求的电池。一些初创公司正在开发可容纳12人的小型飞机。他们可以安装能量密度更低的电池，或者起飞时使用燃料、巡航时使用电池的电动混合动力飞机。遗憾的是，虽然研究公司很多，但没有一家接近商业化。卡内基梅隆大学的电池专家Venkat Viswanathan表示，纯电动商用飞机所需的电池可能需要几十年才能研发出来。能源挑战Model 3是特斯拉最便宜的汽车，起价3.5万美元。配备50千瓦时电池的汽车售价约为8750美元，占汽车总价的25%。相比往年，这样的成本下降了不少。根据彭博新能源财经的报告，2018年锂离子电池的平均成本约为每千瓦时175美元，2010年约为1200美元。根据美国能源部的计算，一旦电池成本降至每千瓦时125美元，拥有和使用电动汽车的成本将低于汽油车，至少在世界大部分地区是如此。并不是说电动车会在所有细分市场和主要市场完全打败汽油车。比如不适合长寿命的卡车用电池驱动。但是如果到了这个转折点，大家选择电动汽车会变得更容易，因为从经济角度来说是可以接受的。达到这个转折点的一个方法是增加电池的能量密度，将更多的千瓦时挤压到电池组中。理论上我们可以在电池化学上做到，要么增强阴极的能量密度，要么增强阳极的能量密度，要么同时提高。

在商业材料中，能量密度最高的阴极是NMC 811(数字代表镍、锰和钴的比例)。然而，这种电极仍然不是完美的。最大的问题是电池充放电循环次数相对较少，然后就用不上了。然而，专家预测，在未来五年内，行业研究人员将解决NMC 811问题。如果真的做到了，使用NMC 811的电池能量密度将提高10%甚至更多。不过，10%的涨幅并不算多。在过去的几十年里，有很多创新，阴极的能量密度确实增加了。现在机会在阳极。

在制作阳极时，石墨仍然占主导地位。便宜，可靠，能量密度也可以接受，这是它的优势。然而，与硅和锂等其他潜在的阳极材料相比，石墨在堆叠时相对易碎。从理论上讲，硅比石墨更好地吸收锂离子。正因为如此，一些企业在设计阳极时会试图将部分硅挤入石墨中；特斯拉首席执行官马斯克曾表示，他的公司正在开发这种电池。如果能制造出商业上可行的硅阳极(完全由硅制成),那将是一大进步。但是由于硅本身的一些特性，很难做到。石墨吸收锂离子时，体积不会有太大变化。如果是硅阳极，同样条件下会膨胀4倍。可惜不能只把外壳扩大来适应膨胀，这样也会破坏硅阳极的“SEI”。你可以把SEI想象成一个保护层，它可以保护阳极，就像铁生成铁锈，叫做氧化铁，它可以起到保护作用。外面多了一层，和氧气的反应就会慢下来。生锈的情况下，铁的氧化速度会变慢，内部会更坚固。当电池第一次充电时，电极会形成自己的“锈”层，即SEI，它会将电极未被探索的部分与其他部分分开。SEI可以防止其他化学反应，防止电极被腐蚀，保证锂离子尽可能平稳的移动。如果引入硅阳极，当我们用电池给其他设备充电时，SEI每次都会分解，每次充电都会重新形成。在每个充电周期中，都会消耗一些硅。最终硅的消耗会达到一定程度，然后电池就不能再用了。过去10年，一些硅谷创业公司一直在寻找解决方案。例如，Sila Nano发现了一种将硅原子封装在纳米壳中的方法，这种纳米壳包含许多“空房间”。这样在壳层外部会形成SEI，内部会发生硅原子的膨胀，每次充放电都不会破坏SEI。估值3.5亿美元的Sila Nano曾表示，该技术最快将于2020年用于设备。还有Enovix，它引入了特殊的制造技术，将100%硅阳极置于极大的物理压力环境中，迫使其尽可能少的吸收锂离子，这样阳极的膨胀就会受到限制，防止SEI损伤。Enovix获得了英特尔和高通的投资，预计其开发的电池将在2020年用于设备。从这些企业的研究来看，硅阳极达不到理论上的高能量密度。然而，两家公司都表示，他们的电极性能优于石墨阳极。第三方正在测试电池。安全挑战为了充更多的能量，分子被修复，可能会影响安全。锂离子电池自发明以来，总是因为起火而惹祸上身。上世纪90年代，加拿大莫利能源开始将锂铁电池用于手机，并正式商用。然而，在现实世界中，电池存在火灾隐患，莫利被迫召回产品，最终公司申请破产。该公司的部分资产被中国省的企业收购，Moli仍以E-One Moli Energy的品牌销售锂电池。最近三星Galaxy Note 7也因为电池起火被召回。手机配有锂离子电池。2016年召回时，三星损失了53亿美元。锂离子电池仍然存在火灾隐患，因为它们大多使用易燃液体作为电解质。不幸的是，液体很容易传输离子，但很容易着火。一种方法是使用固体电解质。然而，固体电解质也有其他缺点。固体更硬。可以想象，把骰子扔到水和沙子里。在水中，它会比沙子接触更多的表面。目前只有低能量环境才会使用固体电解质锂离子电池，比如互联传感器。为了扩大固态电池的应用范围，人们一般有两种选择:一是高温固体聚合物，二是室温陶瓷。下面依次解释:高温固体聚合物:聚合物是一个长分子链连接在一起。在日常应用中，这种材料很常见，塑料袋是由聚合物制成的。有些聚合物加热后会变成液体，但不像液体电解质那样易燃。换句话说，它们具有高离子电导率，就像液体电解质一样，但没有易燃的风险。不幸的是，聚合物也有其自身的局限性。它们只能在105相机度以上工作，不适合手机。然而，我们可以将其引入家用电池中，以存储电网能量。至少有两家公司在发展，一家是SE……另一个是法国的Bollor，这两家公司都在开发使用高温聚合物作为电解质的新型固态电池。室温陶瓷:在过去的10年里，有两种陶瓷向我们证明了它们的离子导电性在室温下和液体一样好。一种是LLZO(锂、镧、氧化锆)，另一种是LGPS(锂、锗、硫化磷)。丰田和硅谷初创公司QuantumScape都在开发陶瓷锂离子电池。卡内基梅隆大学的专家维斯瓦纳坦(Viswanathan)表示:“在未来两三年内，我们极有可能看到一些真正的陶瓷电池出现。”最后，仅仅是平衡电池就是一个大生意，而且市场规模还在增长。哪里有钱，创业者就会蜂拥而至，带来各种想法。但电池创业公司处境艰难，因为失败率比软件公司高。为什么？在材料科学领域取得突破是非常困难的。电池化学家发现，当他们试图增加一极(如能量密度)时，另一极就会被削弱(如安全性)。因为要保持平衡，各方面的进步会很难很慢，也会带来很多问题。不过，瞄准电池的专家越来越多，这是个好消息。麻省理工学院的专家Yet-Ming Chiang表示，与10年前相比，美国研究电池的科学家增加了一倍，成功的机会也增加了。电池的潜力是相当巨大的。考虑到挑战和难度很大，当我们听到有人说新电池有多好的时候，我们最好用怀疑的眼光去看待它。电动飞机可能成为航空的未来。理论上，电动飞机比传统飞机更安静、更便宜、更环保。如果一架电动飞机一次充电可以飞行1000公里，就可以完成今天将近一半的商业任务，减少全球航空碳排放15%。电动汽车也是如此。事实上，电动车不仅环保，而且是更好的汽车。电机噪音小，能快速响应驾驶员的指令。给汽车充电的费用比烧油便宜多了。电动车运动部件少，所以维护成本更低。为什么电动车还没有普及？因为电池太贵，买电动车的前期投入比买一辆类似的汽油车要大。除非你一直开着车，否则省下来的油钱不足以覆盖前期支付成本。简单来说，电动车还是不够经济。根据重量或体积，目前的电池还不能用来驱动客机。人类需要在电池技术上有所突破，才能真正普及。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，人类发明了第一块电池，从那以后我们对它的研究已经持续了两个多世纪，但是科学家们仍然不能完全理解设备内部发生了什么。我们只是知道，要想让电池再次改变我们的生活，有三个问题需要解决:电力、能源、安全。没有万能的锂电池。每个锂电池都有两极:阴极和阳极。大多数锂电池的阳极由石墨制成，但阴极由许多不同的材料制成，这取决于电池的使用场合。从下图可以看出不同正极材料对电池性能的影响。

动力的挑战很多时候，我们经常把“能量”和“动力”混为一谈，但是说到电池，它们的含义就有点不一样了。功率代表能量的释放速度。我们称之为权力。如果你想让一架公务机一次飞行1000公里，你需要一个强大的电池在极短的时间内释放足够的能量，尤其是在起飞的时候。因此，在电池中储存大量能量是不够的，还要以非常快的速度释放出来。要想解决动力问题，就要深入了解一些商用电池的内部结构。我们总是炒作新的电池技术，主要是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。大多数专家认为，在未来10年甚至更长的时间内，没有任何其他化学物质可以打败锂。锂离子电池有两个电极(阴极和阳极)，一个隔膜(一种包含……cts离子而不是电子来防止短路)，它放置在中心，电解质(通常是液体)允许锂离子在两个电极之间来回流动。当电池充电时，离子从阴极流向阳极，当电池放电时，离子向相反方向移动。

我们不妨把它想象成两块面包，左边一块是阴极，右边一块是阳极。我们不妨假设阴极由镍、锰、钴片(NMC)组成，阳极由石墨组成，相当于一层一层地堆积碳原子。在放电状态下，NMC面包层间会有锂离子夹层。当电池充电时，锂离子从夹层中被提取出来，并被迫通过液体电解质。隔板确保只有锂离子能够穿过石墨层。当电池充满电后，负极不会再有锂离子，它们都整齐地排列在石墨块之间。当电池释放电能时，锂离子流回阴极，直到阳极没有锂离子。这时候我们再给电池充电。本质上，电池的功率是由处理速度决定的。加速没那么简单。锂离子从阴极被提取出来。如果速度太快，会损坏图层。正因如此，手机、笔记本、电动车使用时间越长，电池寿命越短。每次充放电都会让“面包块”变得脆弱。许多公司都在寻找更好的解决方案。一种想法是用一种结构更强的物质代替电极层。例如，瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术，该技术使用磷酸亚铁锂(LFP)作为阴极并具有橄榄石结构，使用钛酸锂氧化物(LTO)作为阳极，并具有尖晶石结构。用这种材料做电池，锂离子流动效率更高。目前，Leclanché已经将自己的电池放入无人驾驶叉车中，9分钟就可以充满100%的电。相比特斯拉超级充电器，特斯拉汽车充50%电需要10分钟左右。在英国，Leclanché正在部署并希望在快速充电电动汽车上安装自己的电池。电池安装在充电站，慢慢从电网吸收电力，直到充满电。当汽车进站时，蓄电池会快速给汽车蓄电池充电。车走了，充电站的电池又开始充电了。Leclanché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，增强电池电量。但到目前为止，人类还没有找到一种能够足够快地释放能量以满足商用飞机需求的电池。一些初创公司正在开发可容纳12人的小型飞机。他们可以安装能量密度更低的电池，或者起飞时使用燃料、巡航时使用电池的电动混合动力飞机。遗憾的是，虽然研究公司很多，但没有一家接近商业化。卡内基梅隆大学的电池专家Venkat Viswanathan表示，纯电动商用飞机所需的电池可能需要几十年才能研发出来。能源挑战Model 3是特斯拉最便宜的汽车，起价3.5万美元。配备50千瓦时电池的汽车售价约为8750美元，占汽车总价的25%。相比往年，这样的成本下降了不少。根据彭博新能源财经的报告，2018年锂离子电池的平均成本约为每千瓦时175美元，2010年约为1200美元。根据美国能源部的计算，一旦电池成本降至每千瓦时125美元，拥有和使用电动汽车的成本将低于汽油车，至少在世界大部分地区是如此。并不是说电动车会在所有细分市场和主要市场完全打败汽油车。比如不适合长寿命的卡车用电池驱动。但是如果到了这个转折点，大家选择电动汽车会变得更容易，因为从经济角度来说是可以接受的。达到这个转折点的一个方法是增加电池的能量密度，将更多的千瓦时挤压到电池组中。理论上，我们可以在电池化学中做到这一点，要么提高阴极的能量密度，要么提高阳极的能量密度，或者提高……他同一时间。

在商业材料中，能量密度最高的阴极是NMC 811(数字代表镍、锰和钴的比例)。然而，这种电极仍然不是完美的。最大的问题是电池充放电循环次数相对较少，然后就用不上了。然而，专家预测，在未来五年内，行业研究人员将解决NMC 811问题。如果真的做到了，使用NMC 811的电池能量密度将提高10%甚至更多。不过，10%的涨幅并不算多。在过去的几十年里，有很多创新，阴极的能量密度确实增加了。现在机会在阳极。

在制作阳极时，石墨仍然占主导地位。便宜，可靠，能量密度也可以接受，这是它的优势。然而，与硅和锂等其他潜在的阳极材料相比，石墨在堆叠时相对易碎。从理论上讲，硅比石墨更好地吸收锂离子。正因为如此，一些企业在设计阳极时会试图将部分硅挤入石墨中；特斯拉首席执行官马斯克曾表示，他的公司正在开发这种电池。如果能制造出商业上可行的硅阳极(完全由硅制成),那将是一大进步。但是由于硅本身的一些特性，很难做到。石墨吸收锂离子时，体积不会有太大变化。如果是硅阳极，同样条件下会膨胀4倍。可惜不能只把外壳扩大来适应膨胀，这样也会破坏硅阳极的“SEI”。你可以把SEI想象成一个保护层，它可以保护阳极，就像铁生成铁锈，叫做氧化铁，它可以起到保护作用。外面多了一层，和氧气的反应就会慢下来。生锈的情况下，铁的氧化速度会变慢，内部会更坚固。当电池第一次充电时，电极会形成自己的“锈”层，即SEI，它会将电极未被探索的部分与其他部分分开。SEI可以防止其他化学反应，防止电极被腐蚀，保证锂离子尽可能平稳的移动。如果引入硅阳极，当我们用电池给其他设备充电时，SEI每次都会分解，每次充电都会重新形成。在每个充电周期中，都会消耗一些硅。最终硅的消耗会达到一定程度，然后电池就不能再用了。过去10年，一些硅谷创业公司一直在寻找解决方案。例如，Sila Nano发现了一种将硅原子封装在纳米壳中的方法，这种纳米壳包含许多“空房间”。这样在壳层外部会形成SEI，内部会发生硅原子的膨胀，每次充放电都不会破坏SEI。估值3.5亿美元的Sila Nano曾表示，该技术最快将于2020年用于设备。还有Enovix，它引入了特殊的制造技术，将100%硅阳极置于极大的物理压力环境中，迫使其尽可能少的吸收锂离子，这样阳极的膨胀就会受到限制，防止SEI损伤。Enovix获得了英特尔和高通的投资，预计其开发的电池将在2020年用于设备。从这些企业的研究来看，硅阳极达不到理论上的高能量密度。然而，两家公司都表示，他们的电极性能优于石墨阳极。第三方正在测试电池。安全挑战为了充更多的能量，分子被修复，可能会影响安全。锂离子电池自发明以来，总是因为起火而惹祸上身。上世纪90年代，加拿大莫利能源开始将锂铁电池用于手机，并正式商用。然而，在现实世界中，电池存在火灾隐患，莫利被迫召回产品，最终公司申请破产。该公司的部分资产被中国省的企业收购，Moli仍以E-One Moli Energy的品牌销售锂电池。最近三星Galaxy Note 7也因为电池起火被召回。手机配有锂离子电池。2016年召回时，三星损失了53亿美元。锂离子电池仍然存在火灾隐患，因为它们大多使用易燃液体作为电解质。不幸的是，液体很容易传输离子，但很容易着火。一种方法是使用固体电解质。然而，固体电解质也有其他缺点。固体更硬。可以想象，把骰子扔到水和沙子里。在水中，它会比沙子接触更多的表面。目前只有低能量环境才会使用固体电解质锂离子电池，比如互联传感器。为了扩大固态电池的应用范围，人们一般有两种选择:一是高温固体聚合物，二是室温陶瓷。下面依次解释:高温固体聚合物:聚合物是一个长分子链连接在一起。在日常应用中，这种材料很常见，塑料袋是由聚合物制成的。有些聚合物加热后会变成液体，但不像液体电解质那样易燃。换句话说，它们具有高离子电导率，就像液体电解质一样，但没有易燃的风险。不幸的是，聚合物也有其自身的局限性。它们只能在105相机度以上工作，不适合手机。然而，我们可以将其引入家用电池中，以存储电网能量。至少有两家公司在发展，一家是SE……另一个是法国的Bollor，这两家公司都在开发使用高温聚合物作为电解质的新型固态电池。室温陶瓷:在过去的10年里，有两种陶瓷向我们证明了它们的离子导电性在室温下和液体一样好。一种是LLZO(锂、镧、氧化锆)，另一种是LGPS(锂、锗、硫化磷)。丰田和硅谷初创公司QuantumScape都在开发陶瓷锂离子电池。卡内基梅隆大学的专家维斯瓦纳坦(Viswanathan)表示:“在未来两三年内，我们极有可能看到一些真正的陶瓷电池出现。”最后，仅仅是平衡电池就是一个大生意，而且市场规模还在增长。哪里有钱，创业者就会蜂拥而至，带来各种想法。但电池创业公司处境艰难，因为失败率比软件公司高。为什么？在材料科学领域取得突破是非常困难的。电池化学家发现，当他们试图增加一极(如能量密度)时，另一极就会被削弱(如安全性)。因为要保持平衡，各方面的进步会很难很慢，也会带来很多问题。不过，瞄准电池的专家越来越多，这是个好消息。麻省理工学院的专家Yet-Ming Chiang表示，与10年前相比，美国研究电池的科学家增加了一倍，成功的机会也增加了。电池的潜力是相当巨大的。考虑到挑战和难度很大，当我们听到有人说新电池有多好的时候，我们最好用怀疑的眼光去看待它。

标签：特斯拉世纪丰田发现Model 3

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