为何电池技术就是没有突破?


2020-06-15


为何电池技术就是没有突破?

如果你想要一款加速度体验良好的车,特斯拉 Model S 绝对能满足你。当然,像这样的电动车不仅能够带来良好的驾驶体验,相较于传统汽油车,它也不会对环境造成污染。但是,从电动车诞生至今,它都只有很小一部分市佔量。主要的原因是电动车的电池昂贵而且需要经常充电,可是,为什幺电池性能一直以来都不见起色?

电池技术无法商业化

在过去数年中,有无数的电池技术研究取得突破性的进展,但是这些当中,鲜少能够被商业所使用,兑现低成本和多容量的承诺。比如成立于 2001 年的锂离子电池初创公司 A123 Systems,曾宣称,能将锂离子电池的磷酸锂铁正极材料製造成均匀的纳米级超小颗粒,因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的放电功率,而且,整体稳定度和循环寿命皆未受影响。但最终于 2012 年以失败告终。原因是,不能够量产它所描述的那些锂电池,也不能安全有效地转换电量。

2012 年,位于美国加州的电池公司 Envia Systems 在华盛顿重大的会议上宣称,研发出能量密集型电池,单位重量的锂电池储存能量是目前电池的两倍,而 且成本降低一半。通用汽车一听说能研发如此高能电池的 Envia,马上向其投资了 700 万美元,希望在电动车业务上进行合作。到了 2013 年,Envia 都没有兑现它所宣称的「惊人效果」,导致失去资助资金以及通用汽车公司的合作伙伴关係。另外,这家公司也受到美国高级能源研究计划署 ARPA-E 的重视。 只能说,Envia 令人印象深刻的电池让人兴奋也让人落空。

大公司的小进步

事实上,在电池行业中,由于电池技术的高门槛,初创公司难以单独存活。因此,电池产业一般都是由大公司主导。 A123 Systems 前主管 Andy Chu 说:

在过去的十年里,我们见证了电池产业「突破性」的进展,但是这些都是来自大公司的一些稳定小进步。

    Envia 的电池是一种新型的锂离子电池,发明于 70 年代末、80 年代初,商业运用于 90 年代。它们变成一种可携式电池,被人们用于电动车上。早在 90 年代,通用汽车在其电动车 EV-1 上使用廉价的铅酸蓄电池,不仅车辆行驶的里程数较少,车上的铅酸蓄电池也十分笨重。到了 2008 年,特斯拉引进锂离子电池的电动车,虽然里程数比 EV-1 多了,但是价格昂贵。于是,有汽车製造商如日产汽车和通用汽车为了降低价格,打造出里程数少的电动车,其实主要是减少电动车的锂离子电池。为何电池技术就是没有突破?电池技术知之甚少

    如果改变了电池中的某一部分比如引进一个新电极,所带来的的问题是难以预见的。有些问题甚至需要几年时间才能检测到。当年,为了达到投资者和 ARPA-E 的期望,Envia 不是融合了一种电极材料而是两种实验性的电极材料进行研发。(其实,Envia 还是蛮拼的, 只不过,事情的结果就这样罢了)在 2006 年,Envia 授权阿贡国家实验室 ANL 的研究人员研发一种很有前景的电池材料,但是,一个严重的问题出现了:随着时间的推移,电池的电压改变后,它就无法使用了。

    儘管 ANL 的研究人员深入研究这个问题,但原因仍无法得知。除了这个,Envia 还面临一个挑战:基于硅的电池电极问题。研究人员看似解决了这个问题:提出一套无法在实际中操作的解决方案。这让 Envia 的研究人员们感到十分沮丧。

    但是随着时间的进展,以上这些大大小小的问题都差不多解决的时候,Envia 发现,电池中複合材料的微小变化都会改变整个电池的性能。当然,Envia 认为最终不能实现惊人效果的结果,是因为他们的电池材料供应商中有某些污染材料。当然,这个污染来自哪里、是什幺,似乎也没有人知道。

    电池的进展不一定来自技术

    其实,Envia 的故事很鲜明告诉大家,电池的进展包括性能与成本,不是来自突破性技术,而是来自像特斯拉与其电池供应商松下的密切合作关係。自从 2008 年以来,特斯拉的电池成本降低一半,电容量增加 60%。特斯拉并没有刻意去改变电池的化学或者材料,而是提高製造效率和改进生产。还与松下一起根据汽车的需求进行适当的电池最佳化。

    虽然很难想像特斯拉在锂离子电池上进行微调整获得持续性的发展,因为锂离子电池的进步空间并不十分「宽敞」。或许到最终需要像 Envia 这样彻底改变,才能获取电池的跨越性进步。不过,至少 Envia 告诉我们,提高电池性能必须要密切结合製造业和工程技术,要生产实际使用的产品。

    虽然以上内容看似在回顾 Envia 的历史,但是这也是电池发展的一个缩影。近二十多年来,科技飞速发展。计算机从真空管元件时代演变成今天的超大规模积体电路,往日笨拙巨大的计算机如今小到能装进我们的口袋中,但电池,迟迟不能跟上发展的步伐。或许也正是以上这些原因造成现今的局面。



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