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重磅 下一代電池長什麼樣子?

2019.7.10 新聞中心 7/10每日新

最近特斯拉、蔚來汽車的電池自燃事件頻發,於是大家對鋰電池的關注焦點從續航里程轉移到了安全問題上。從消費者的角度,當然希望有價格低、續航長、性能好、安全高等的完美電池出現,但是這並不符合物理定律。電池研究就像是玩平衡術,需要在幾個維度之間不斷的協調、折中,往往是改變一個維度上的指標就會牽動其他幾個維度。

最近刷領英看到比爾·蓋茨分享的一篇文章。他說很少有發明像電池一樣給生活帶來這麼大的改變。同時,越來越多的發明家河投資家投身到這個領域,致力於製造出更好的電池。他轉發的這篇文章叫做《How we get to the next big battery breakthrough 》,發表於201948日,其中包含一些最新的資訊。我把原文翻譯成了中文,供參考!希望看原文的可以點擊文章末尾的原文連結。



比爾·蓋茨LinkedIn帳號分享內容

 

電動飛機可能是航空業的未來。從理論上講,它們將比我們現在擁有的飛機更安靜、更便宜、更清潔。一次充電1000公里(620英里)的電動飛機今天可以用於所有商用飛機飛行的一半,將全球航空的碳排放量減少了大約15%
電動汽車也是如此。電動汽車不僅僅是污染噴湧的同類產品的清潔版。從根本上說,它是一輛更好的汽車:它的電動機產生的噪音很小,對司機的決定反應迅速。給電動汽車充電的費用遠低於支付等量汽油的費用。電動汽車可以用一小部分運動部件來製造,這使得維修成本更低。
那麼為什麼電動汽車還沒有普及呢?這是因為電池價格昂貴,使得電動汽車的前期成本遠高於類似的燃油動力汽車。而且,除非你開很多車,否則節省的汽油並不總能抵消更高的前期成本。總之,電動汽車仍然不經濟。
同樣,目前的電池在重量或體積上也不能儲存足夠的能量來為客機提供動力。在電池技術成為現實之前,我們仍然需要取得根本性的突破。
電池驅動的可擕式設備改變了我們的生活。但是,如果能便宜地製造出更安全、更強大、更高能量密度的電池,那麼電池就有更多的可能被破壞。任何物理學定律都不能排除它們的存在。
然而,儘管自1799年第一個電池發明以來經過了兩個多世紀的密切研究,科學家們仍然不完全理解這些設備內部到底發生了什麼的基本原理。我們所知道的是,為了讓電池再一次真正改變我們的生活,基本上有三個問題需要解決:電力、能源和安全。

沒有一個適合所有鋰離子電池的尺寸

每個電池有兩個電極:一個陰極和一個陽極。大多數鋰離子電池的陽極是由石墨製成的,但陰極是由各種材料製成的,這取決於電池的用途。下面,您可以看到不同的陰極材料如何改變電池類型在六個方面的表現。

能量挑戰
一般來說,人們使用「能源」和「能量」是可以互換的,但在談論電池時區分它們是很重要的。功率是能量釋放的速率。
一個強大的電池能夠在很短的時間內釋放大量的能量足以支撐商業噴氣式飛機的起飛和保持在1000公里的高空飛行,特別是起飛的瞬間。因此,這不僅僅是可以儲存很多能量,還涉及到擁有迅速釋放能量的能力。
應對能源挑戰需要我們瞭解商用電池裡面到底是什麼。或許,這些內容聽起來有些呆板,但是請容忍一下。新的電池技術經常被誇大,就是因為多數人對電池的細節不夠瞭解。
我們目前最前沿的電池化學是鋰離子。大多數專家都同意,在至少十年或更長的時間裡,沒有其他化學物質會破壞鋰離子。鋰離子電池有兩個電極(陰極和陽極),中間有一個分離器(一種可以傳導離子而不是電子的材料,旨在防止短路),還有一個電解質(通常是液體),使鋰離子在電極之間來回流動。當電池充電時,離子從陰極移動到陽極;當電池供電時,離子向相反的方向移動。

鋰離子電池內部

 

想像一下兩條切片麵包。每個麵包都是一個電極:左邊是陰極,右邊是陽極。讓我們假設陰極是由鎳、錳和鈷(NMC)薄片組成的——這是同類中最好的薄片之一,陽極是由石墨組成的,石墨本質上是由碳原子的層狀薄片或薄片組成。
在放電狀態下,也就是說,在能量耗盡後,NMC麵包在每片之間夾有鋰離子。當電池充電時,每一個鋰離子從薄片之間被提取出來,並被迫通過液體電解質。分離器充當檢查點,確保只有鋰離子通過石墨層。當電池充滿電時,電池的陰極層就不會剩下鋰離子,而是整齊地夾在石墨層之間。當電池的能量被消耗時,鋰離子會回到陰極,直到陽極中沒有剩餘的鋰離子。這時電池需要重新充電。
電池的能量容量基本上取決於這個過程發生的速度。但提高速度並不容易。過快地將鋰離子從陰極麵包中抽出可能會導致切片產生缺陷,最終破裂。這就是為什麼我們使用智慧手機、筆記型電腦或電動車的時間越長,它們的電池壽命就越差的一個原因。每次充放電都會使麵包變弱。
許多公司都在努力解決這個問題。一種想法是用結構更堅固的材料代替層狀電極。例如,已有100年歷史的瑞士電池公司Leclanch_正致力於一項技術,該技術使用具有「橄欖石」結構的磷酸鐵鋰(LFP)作為陰極,使用具有「尖晶石」結構的鈦酸鋰(LTO)作為陽極。這些結構在處理鋰離子進出材料的流動方面更為出色。
Leclanché目前在自動倉庫叉車中使用電池,電池可以在9分鐘內充電到100%。相比之下,最好的特斯拉增壓器可以在10分鐘內將特斯拉汽車電池充電到50%左右。Leclanché也在英國部署其電池,用於快速充電的電動汽車。這些電池位於充電站,從電網長時間緩慢地吸收少量電力,直到完全充電。然後,當汽車停靠時,塢站電池會快速為汽車電池充電。當汽車離開時,車站的電池又開始充電了。
Leclanché所做的努力表明,修補電池化學製品以提高其功率是可能的。儘管如此,還沒有人製造出一個足夠強大的電池來快速釋放商用飛機戰勝重力所需的能量。初創企業正在尋求建造小型飛機(最多可容納12人),這種飛機可以使用功率相對較低的密集型電池或電動混合動力飛機,在這種飛機上,噴氣燃料起重很困難,電池起滑行作用。
但在這個接近商業化的領域卻沒有公司進行投入。此外,卡內基梅隆大學的電池專家VenkatViswanathan說,全電動商用飛機所需的技術飛躍可能需要幾十年。

能源挑戰
特斯拉Model 3 是該公司最實惠的車型,起價為35000美元。它使用一個50千瓦時的電池,大約花費8750美元,相當於汽車總價格的25%
與不久前相比,這仍然是一筆令人驚訝的費用。據彭博新能源金融(Bloomberg New Energy Finance)稱,2018年全球鋰離子電池的平均成本約為175美元/kWh,低於2010年的近1200美元/kWh
據美國能源部測算,一旦電池成本降至每千瓦時125美元以下,在世界大部分地區擁有和運營電動汽車將比燃氣動力汽車便宜。這並不意味著電動汽車將在所有的細分市場和領域戰勝燃氣動力汽車,例如,長途卡車還沒有電力解決方案。但這是一個轉捩點,人們開始喜歡電動汽車,因為在大多數情況下,電動汽車更經濟。
實現這一目標的一種方法是提高電池的能量密度,在不降低價格的情況下將更多的電塞進電池組中。理論上,電池化學家可以通過增加陰極或陽極或兩者的能量密度來做到這一點。
在商業化應用中,能量密度最高的陰極是NMC811(數位中的每個數位分別代表混合中鎳、錳和鈷的比例)。它還不完美。最大的問題是,在它停止工作之前,它只能承受相對較少的充放電壽命週期。但專家預測,未來五年內,產業研發將解決NMC 811的問題。當這種情況發生時,使用NMC811的電池將有10%或更多的能量密度。

然而,10%的增長並不是那麼大。過去幾十年的一系列創新推動了陰極的能量密度越來越高,而陽極是最大的能量密度機會所在。
石墨一直是占主導地位的陽極材料。它價格便宜,可靠,能量密度相對較高,特別是與目前的陰極材料相比。但與其他潛在的陽極材料(如矽和鋰)相比,它相當弱。

例如,矽在理論上比石墨更好地吸收鋰離子。這就是為什麼許多電池公司在其陽極設計中都試圖在石墨中加入一些矽;特斯拉首席執行官埃隆•馬斯克(Elon Musk)表示,公司已經在鋰離子電池中加入了矽。
更大的一步將是開發一種完全由矽製成的商業上可行的陽極。但這種元素的特點使其難以實現。當石墨吸收鋰離子時,其體積變化不大。然而,在同樣的情況下,矽陽極膨脹到原來體積的四倍。
不幸的是,你不能只是讓外殼更大以適應膨脹,因為膨脹會破壞矽陽極的「固體電解質介面」,即SEI
你可以把SEI看作是陽極為自身創造的一種保護層,類似于鐵形成鏽的方式,也被稱為氧化鐵,以保護自己免受元素的侵害:當你把一塊新鍛造的鐵放在外面時,它會慢慢地與空氣中的氧反應,從而生銹。在鐵銹層的下面,其餘的鐵不會遭受同樣的命運,因此保持了結構的完整性。
在電池第一次充電結束時,電極形成了自己的「鏽」層,SEI將電極的未極化部分與電解液分離。SEI阻止了消耗電極的額外化學反應,確保鋰離子能夠盡可能平穩地流動。
但是,有了矽陽極,每次使用電池為某個設備供電時,SEI都會斷裂,每次給電池充電時,SEI都會進行改革。在每個充電週期中,會消耗一點點矽。最終,矽會消散到電池不再工作的程度。
在過去的十年裡,一些矽谷的初創企業一直在努力解決這個問題。例如,SilaNano的方法是將矽原子封裝在一個納米大小的殼內,殼內有許多空腔。這樣,SEI就形成在外殼的外部,矽原子在外殼內部發生膨脹,而不會在每個電荷放電迴圈後破壞SEI。該公司價值3.5億美元,稱其技術將在2020年為設備供電。
另一方面,Enovix採用了一種特殊的製造技術,將100%的矽陽極置於巨大的物理壓力下,迫使其吸收更少的鋰離子,從而限制了陽極的膨脹,防止了SEI斷裂。該公司從英特爾和高通公司獲得投資,預計到2020年,該公司的電池將用於設備。
這些折衷意味著矽陽極不能達到理論上的高能量密度。不過,兩家公司都表示,他們的陽極性能優於石墨陽極。協力廠商目前正在測試兩家公司的電池。

安全挑戰
為了在電池中儲存更多能量而進行的所有分子修補都是以犧牲安全為代價的。自從發明以來,鋰離子電池就因頻繁著火而引起頭痛。例如,在20世紀90年代,加拿大的Moli能源公司將手機用鋰金屬電池商業化。但在現實世界中,它的電池開始著火,莫里被迫召回,最終申請破產。(其部分資產被一家臺灣公司收購,仍在銷售品牌為E-One Moli Energy的鋰離子電池。)最近,三星的Galaxy Note 7智慧手機開始在人們的口袋裡爆炸。2016年的產品召回使韓國巨頭損失了53億美元。
如今的鋰離子電池仍然存在固有的風險,因為它們幾乎總是使用易燃液體作為電解質。對我們人類來說,很不幸的是,能夠輕易運輸離子的液體也往往具有較低的著火門檻。一種解決方案是使用固體電解質。但這意味著其他的妥協。電池的設計可以很容易地包括一種液體電解質,它與電極的每一個接觸點都能有效地傳遞離子。固體的話要困難得多。想像一下,把一對骰子扔進一杯水裡。現在想像一下把同樣的骰子扔進一杯沙子裡。顯然,水會比沙子接觸到更多的骰子表面積。
到目前為止,固體電解質鋰離子電池的商業用途僅限於低功率應用,如用於互聯網連接的感測器。擴大不含液體電解質的固態電池規模的努力大致可分為兩類:高溫下的固體聚合物和室溫下的陶瓷。

高溫下的固態聚合物
聚合物是連接在一起的長鏈分子。它們在日常應用中極為常見,例如,一次性塑膠袋是由聚合物製成的。當某些類型的聚合物被加熱時,它們的行為就像液體一樣,但沒有在大多數電池中使用的液體電解質的可燃性。換句話說,它們作為液體電解質具有很高的離子導電性,而不存在風險。
但它們有局限性。它們只能在105°C220°F)以上的溫度下工作,這意味著它們不適合智慧手機。但是,例如,它們可以用來儲存家庭電池中來自電網的能量。至少兩家美國SEEO和法國BOLLOR_公司正在開發使用高溫聚合物作為電解質的固態電池。

室溫陶瓷
在過去十年中,兩類陶瓷LLZO(鋰、鑭和氧化鋯)和LGPS(鋰、鍺、硫化磷)在室溫下的導電性能幾乎與液體一樣好。
豐田和矽谷初創企業Quantumscape(去年從大眾汽車公司籌集了1億美元資金)都在致力於在鋰離子電池中部署陶瓷。在太空中加入大玩家意味著一個突破可能比許多人想像的更接近。
卡內基梅隆的維斯瓦納坦說:「在兩三年內,我們很快就能看到真正的(使用陶瓷)東西。」

平衡術
電池已經是一項大生意,市場也在不斷增長。這些錢吸引了很多有更多想法的企業家。但是電池領域初創企業的失敗率比軟體公司還高,儘管軟體企業是高失敗率著稱。這是因為材料科學的創新是困難的。
到目前為止,電池化學家發現,當他們試圖改善一種特性(比如說能量密度)時,他們必須在另一種特性(比如說安全性)上妥協。這種平衡行為意味著各方面的進展緩慢,充滿了問題。
但是,隨著人們對麻省理工學院的明江(ming-jiang)問題的更多關注,他估計現在美國電池科學家的數量是10年前的三倍,成功的機會也會增加。電池的潛力仍然巨大,但考慮到未來的挑戰,最好以懷疑的態度看待關於新電池的每一項聲明。