IBM要做「海水電池」,這會吹皺鋰電池產業一池春水嗎?

嚴格地說,廣義上來說的海水電池早在上世紀90年代就出現了。在自然環境下,沒有哪一種環境比海洋環境,也就是海水,可以作為更好的電解質材料了。含有3.5%左右NaCl的海水鹽溶液,其電導性是滿足電池電解質的基本要求的。那麼,從優勢上來說,海水電池幾乎可以有著取之不竭的電解質材料。

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年初比亞迪對外公開透露的「刀片電池」,現在終於有了著落。3月29日,比亞迪刀片電池發布會舉行,預計6月份正式上市。

作為新一代的磷酸鐵鋰技術路線的刀片電池被視為顛覆風頭正勁的三元鋰電池的殺手鐧創新。刀片電池帶來的技術突破和成本下降,也將會逼得三元鋰電池產品的整體價格下降。動力電池產業的洗牌無可避免,但對於新能源汽車購買人群,則一定是一個利好消息。

年初的CES2020展上,IBM放出一則「海水造電池」的技術成果的新聞,則又給這場風雲詭譎的產業變革大戲,加入了一點「攪局」的意味。

IBM Almaden電池實驗室

可能因為沒有實物展示,IBM只是宣布了要和賓士汽車母公司一起繼續研發,因而沒有引起業內過多的關注。

然而仔細去看,很多細節仍然值得品味,包括從海水礦物質裡提煉出的三種「新材料」、幾乎完美超越鋰電池的所有性能,以及使用了AI演算法和量子運算進行研發……

這讓我們不禁要問:海水電池,難道就要成為下一輪新能源電池「天選之子」了?

鋰電池,確實沒有看上去那麼美好

聊海水電池之前,我們先得重新認識下鋰電池,這個熟悉的陌生「朋友」。

不知你是否意識到,小到我們的智慧型手機、電腦、平板,大到電動腳踏車、電動汽車,幾乎但凡可以充電的玩具、電子設備,都在使用鋰電池進行續航。可以說,鋰電池已經成為我們生活須臾不可離開的生活元素了。

不過,你有沒有想過這些問題。這些鋰金屬材料從哪裡來?鋰電池對環境有沒有影響?這些電子產品用完後,鋰電池怎麼處理?

相較於化學燃料,鋰電池正被視作一種清潔能源的成熟技術應用,尤其是對於嚴重依賴煤炭、石油的能源消耗國家。

但其實這裡仍然存在一大問題。鋰電池本身只是一種儲能技術,它所儲存的電力仍然來自現有電網。如果發電廠的電力源頭不是來自清潔能源(水電、風能、核能等),而依然是火電的話,其實也只是換了一種排放形式。不過,對於取代戰略性能源的石油(及其煉化的燃油),在新能源汽車的動力電池上面,鋰電池則是功不可沒的。

那麼,鋰電池材料本身的來源符合「清潔能源」的本義嗎?恐怕不行。

目前全球主要的鋰金屬原材料都是透過鹽鹼地下,從富含鎂和鉀的鹽水中提煉鋰。在南美洲的安地斯高原(人間仙境烏尤尼鹽沼所在地)的厚厚鹽層下,儲藏著世界上超過一半的鋰金屬礦藏,這裡也提供了全球一半的鋰產量。

而鋰鹽的過濾和提純,其實是需要大量的水資源的。對於極度乾旱的南美高原來說,鋰礦佔用了大量的地下水資源。即使對於水資源相對充足的地區,含有有毒化學物質的鋰礦的廢水也會重新滲透到生活用水系統當中,影響地下水、農業灌溉、人畜飲用水資源等。

對於鋰電池來說,無論從儲量上,還是危害上,鋰都算不上厲害角色。能夠對動力電池產業發展產生更大影響的是鎳和鈷,特別是鈷的環境成本非常巨大。一來這種金屬非常集中地蘊藏在中非少數地區,壟斷成本導致價格飆升;二來,鈷的毒性極大,而當地落後的手工開採,對當地人造成極大的傷害。

當鋰電池在汽車以及電子設備中壽終正寢之後,難以再二次利用。絕大多數的鋰電池都將以垃圾填埋,這些金屬元素將重新回到自然環境當中,對我們的生存環境構成長期威脅。

我們即使對於鋰金屬以及鎳、鈷、錳等重金屬礦區的直接污染無動於衷,那麼鋰電池在未來對我們生活健康的長期威脅則需要及早予以考慮了。

那麼,如果有新的電池材料,替換掉包含鈷、錳、鎳重金屬的鋰電池,自然會成為一件造福人類的偉大技術進步。

而這個技術進步的使命會不會就落在「海水電池」身上呢?

從實驗室走向商用:海水電池的實踐難題

嚴格地說,廣義上來說的海水電池早在上世紀90年代就出現了。在自然環境下,沒有哪一種環境比海洋環境,也就是海水,可以作為更好的電解質材料了。

含有3.5%左右NaCl的海水鹽溶液,其電導性是滿足電池電解質的基本要求的。那麼,從優勢上來說,海水電池幾乎可以有著取之不竭的電解質材料;反過來,這也成為一種限制條件,即海水電池更多只能使用在海洋環境當中使用。

比如,小功率金屬腐蝕類海水電池,可以為小型海洋探測裝置提供電力支持。而大功率的動力海水電池,可以為水下武器裝備(比如魚雷)提供動力。

這類海水電池本身是作為發電設備使用,而能夠離開海洋環境,兼具儲能和發電作用的海水電池顯然更有廣闊商業價值。

2009年,帶有儲能作用的海水電池發明。AHI電池是由美國一家電池和儲能系統開發商Aquion Energy發明。AHI電池由海水和儲量豐富的鈉和錳製成,由於不含重金屬和有毒化學物質,非易燃、不易爆,因此被該公司稱作「海水電池」。這種電池造價低廉,大概只需要300美元/千瓦時,不到鋰離子電池使用成本的三分之一。

AHI電池在2015年左右一度投入批量生產,主要用於太陽能光伏發電領域的儲能。然而在2017年初,因為無法拿到新一輪融資,一度宣布破產。同年7月,Aquion再次恢復運營,目前正在嘗試與中國的一些電網建立合作。受自身成本問題和鋰電池價格下降等外部製約,海水電池想要在競爭激烈能源領域立足並非易事。

韓國蔚山國家科學技術研究所(UNIST)的研究人員近年正集中研發一種海水電池2017年,韓國蔚山國家科技研究所(UNIST)也在利用海水研發一種新型儲能電池,這一海水電池將使用鈉來進行儲能和發電,因此與鋰電池相比,成本上更具優勢。當時計劃在2018年建成一個10Wh的海水電池組。不過從目前的進度來看,韓國研究團隊的這種透過納離子作為負極材料的新電池能源儲存系統(ESS)仍然測試當中,離真正商用還有一段距離。

那麼,IBM最新宣布的最新海水電池技術,目前是什麼情況呢?

首先IBM表示,新電池的製造材料是由三種從未被記錄的三種專有材料組成,而且都可以從海水中提取,且不含有重金屬材料。但可能出於技術保密考慮,IBM並未透露三種材料的成分。

其次是新電池的突出性能就是充電速度快。據稱可以在5分鐘內完成80%的充電量。如果測試數據屬實,可以極大緩解動力電池充電等待時長的焦慮。

此外,因為不含鈷、鎳等重金屬,使得活性正極成本大幅降低;在功率密度和能源效率等方面,都優於目前的鋰離子電池;電解液的不易燃,也將提高動力電池的安全性。

從這些特點來看,IBM的動力電池簡直可以成為現有鋰電池為主的新能源汽車動力電池完美替代方案。

同時,IBM研究院也宣布了與梅賽德斯-賓士北美研發部、電池電解質供應商Central Glass及電池生產商Sidus的合作,計劃共同推出新一代動力電池的量產。

那麼,我們也不禁想知道IBM可能跨越這個「從實驗室到商用量產」的魔咒,成為那匹「攪動」鋰電池產業的跨界黑馬嗎?

「攪局」鋰電池,海水電池的商業化有待驗證

想回答這個問題,似乎並不容易。

從IBM官方透露的信息來看,新材料的發現和創新離不開AI技術的應用。透過語義富集AI技術,從塑料回收到半導體製造等眾多應用領域的催化專業知識的分析,結合材料學、分子化學、電氣工程、先進電池試驗設備等技術,才完成了這一底層材料的發現。

在解決電池的容量和充電速度等電動汽車的問題上,IBM與戴姆勒股份公司合作,視同從在量子運算方面取得新的突破。

這似乎意味著尖端技術和跨學科知識在新材料的發現上起到了重要作用。但從這些更具「公關」色彩的表述中,實在難以讓人看到IBM海水電池的新材料上面到底具有哪些核心技術。

顯而易見的科學常識就是,我們都知道海水的主要成分就是NaCL,其中Na以離子形式存在,此外還有K+,Ca2+,Mg2+和Sr2+四種元素。再加上Cl-、F-、Br-、HCO3-等陰離子,共同構成了海水鹽分99.9%的總量。

那麼,顯然,IBM宣稱的不含重金屬元素的海水電池,大概率離不開鈉、鉀、鎂這三種元素。如果真的如IBM所言,是三種之前電池解決方案都未使用過的成分,那麼大概率可能在故弄玄虛,以保密方式保持研發優勢。如果已經是非常成熟的新材料技術完全可以通過申請專利的方式來保護自己的技術所有權。

據官方透露,IBM計劃和合作夥伴在一年時間,就將推出這塊海水電池用於電動汽車上的商用版本。這仍然難以令人相信。畢竟受制於工藝流程、材料提煉和製造成本等多方面因素限制,在從實驗室到生產車間的過程中,很容易出現紕漏。

好在一年時間很短,我們可以期待下在CES2021上能否見到這塊可以商用的海水電池。屆時就會知道IBM是否真得拿到了新能源動力電池產業的新門票。

儘管海水電池技術展示出優越於鋰電池的卓越性能,但我們也不會輕易得出「海水電池會很快大規模取代鋰電池」 的樂觀判斷。

首先就是鋰電池本身的產業成熟度,以及近來在電池性能穩定性和成本控制上的突破,使得鋰電池仍然將在未來數年內成為新能源汽車市場的主流解決方案。

另外就是海水電池本身,在新材料的提取、規模化的生產上,是否有著難以解決的成本問題跟耗能問題,仍然具有非常大的不確定性。

更易得且成本更低的電池材料、去處有害重金屬的技術方案以及更高的能效,這成為海水電池帶給我們的近乎完美的新能源解決方案。

但這一方案出現得有些太過「容易」,以致於不太符合「常識」。我們並不懷疑IBM所具有的技術實力和創新能力。我們只是想指出,一項新技術從實驗室研發測試,到真正進入生產線量產,是一件非常複雜的流程,從材料提煉製備,到生產工藝流程控制再到安全驗證,整個過程都要解決製造成本和品質安全問題。

希望準備跨界入局海水電池的IBM正在做好準備。

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