固態電池 、 磷酸鐵鋰電池 、 矽陽極電池,車用電池這3大方向各要解決什麼問題?

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電動汽車不只環保,而且它還是更棒的汽車。電機零件幾乎沒有什麼噪音,能夠快速回應駕駛的指令。為汽車充電的成本比燒油便宜得多。電動汽車只有很少的活動零件,維護成本更低。

電池設備改變了我們的生活,但電池有其物理限制。1799 年,人類發明第一塊電池,自此之後的兩個多世紀,我們不斷研究,但是科學家仍然無法完全理解設備內部到底發生了什麼。我們只是知道,如果想讓電池再次改變我們的生活,有三個問題需要解決:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

沒有萬能的鋰電池

每一塊鋰電池都有兩極:陰極和陽極。大多鋰電池的陽極是用石墨製造的,陰極卻有多種不同的材料,具體要看電池用在哪裡。從下面這張圖中,你可以看到不同的陰極材料對電池性能的影響。

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許多時候,我們經常會將「Energy」和「Power」混用,不過放在電池上,二者的含義有點不同。Power 代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。

如果想讓商務噴射客機充電一次飛1000 公里,需要強大的電池,在非常短的時間內釋放足夠大的能量,在起飛時尤其如此。所以說,光是在電池中儲存大量能量還不夠,還要以很快的速度釋放。

如果想解決功率問題,就要深入了解一些商務電池的內部結構。我們總是炒作新電池技術,主要是因為我們沒有深入觀察內部細節。

鋰離子電池的內部原理

在我們使用的電池中,最常見的化學物質是鋰離子。大多專家認為,在未來10 年甚至更長的時間內,沒有其它化學物質可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個電極(陰極和陽極),還有一個分離器(一種傳導離子而非電子的材料,可以防止短路),分離器放在中央,還有電解液(通常是液體),它讓鋰離子在兩極之間來回流動。當電池充電時,離子從陰極流向陽極,當電池放電時,離子向相反的方向移動。

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我們不妨將它想像成兩塊麵包,左邊一塊是陰極,右邊一塊是陽極。我們不妨假定陰極是由鎳、錳、鈷片(NMC) 組成的,陽極是由石墨組成的,它相當於讓碳原子一層一層疊加。

在放電狀態下,NMC 「麵包」在夾層之間會有鋰離子夾心。電池充電時,鋰離子從夾層中提取,被迫穿過液體電解質。分離器確保只有鋰離子能穿過石墨層。當電池完全充滿電,陰極不會有再有任何鋰離子,它們全都整齊排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時,鋰離子向陰極回流,直到陽極沒有任何鋰離子。此時我們就要再次給電池充電了。

特斯拉:用磷酸鐵鋰電池提高充電速度

從本質上講,電池的功率是由處理速度的快慢決定的。要想加快速度沒有那麼簡單。將鋰離子從陰極中抽取,如果速度太快,層會受損。正因如此,手機、筆電、電動汽車使用時間越長,電池壽命也全變短。每一次充電放電,都會讓「麵包塊」變得脆弱。

許多公司正在尋找更好的解決方案。有一種構想是這樣的:用結構更堅固的物質替代電極層。例如,瑞士電池公司 Leclanché 正在開發一種技術,它用磷酸鐵鋰(LFP)作為陰極,擁有橄欖石型結構,用鋰鈦氧化物(lithium titanate oxide,LTO)作為陽極,它擁有尖晶石型結構。用這樣的材料製作電池,鋰離子流動效率更高。

目前 Leclanché 已經將自己的電池裝進無人駕駛堆高機,9 分鐘就能充滿100% 的電量。對比特斯拉超級充電器,它為特斯拉汽車充滿50% 的電量大約要10 分鐘。在英國,Leclanché 正在部署,想將自己的電池裝到快速充電電動汽車上。電池裝在充電站,緩慢從電網吸收電量,直到完全充滿。當汽車入站,電池會給汽車電池快速充電。當汽車離開,充電站的電池又開始充電。

Leclanché's 的研究向我們證明,人類完全有可能找到更好的電池化學物質,增強電池功率。不過到目前為止,人類還沒有找到能量釋放足夠快、可以滿足商務飛機需要的電池。一些創業公司正在開發小型飛機,最多可以坐12 人,它們可以安裝能量密度更低的電池,或者是電力混動飛機,當飛機起飛時用燃油,巡航時用電池。

可惜,雖然研究的公司很多,但沒有一門技術接近商用。卡內基美隆大學電池專家 Venkat Viswanathan 說,純電動商務飛機需要的電池可能還要幾十年才能研究出來。

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提高電池能量為何要從電極下手?

Model 3 是特斯拉最便宜的汽車,最低價35000 美元。汽車裝備50 千瓦時電池,成本大約8750 美元,佔了汽車總價的25%。

相比前幾年,這樣的成本已經降了很多。根據彭博新能源財經的報告,2018 年鋰離子電池的平均成本大約是每千瓦時175 美元,2010 年約為1200 美元。

按照美國能源部的計算,一旦電池成本降到每千瓦時125 美元,擁有並使用一輛電動汽車的成本就會汽油汽車低,至少在全球大多地區如此。並不是說到時在所有細分市場及主要市場,電動汽車會全面戰勝汽油汽車,比如,長續航卡車用電池驅動還不是很合適。不過如果到了這一轉折點,大家選擇電動汽車就會變得更容易,因為從經濟角度看已經可以接受了。

要想達到這一轉折點,有一個辦法就是增加電池的能量密度,向電池組擠入更多的千瓦時。從理論上講,我們在電池化學方面是可以做到的,要嘛增強陰極的能量密度,要嘛增強陽極的能量密度,要嘛同時提升。

固態電池 、 磷酸鐵鋰電池 、 矽陽極電池,車用電池這3大方向各要解決什麼問題?

在商用材料中,能量密度最高的陰極是NMC 811(數字代表鎳、錳和鈷的比例)。不過這種電極仍然不完美。最大的問題是電池的充放電循環次數相對較少,然後就沒法用了。不過專家預測,在未來5 年內,行業研究人員將會解決NMC 811 問題。如果真的做到,使用NMC 811 的電池能量密度將會提高10% 甚至更多。

儘管如此,提升10% 也並不是很多。在過去幾十年裡,出現不少創新,陰極的能量密度的確提高了,現在機會在於陽極。

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矽陽極電池

製造陽極時,石墨仍然占主導地位。便宜、可靠、能量密度也可以,這是它的優勢。不過與其它潛在的陽極材料相比,比如矽、鋰,堆疊時石墨相對比較脆弱。

從理論上講,矽吸收鋰離子時比石墨更好。正因如此,一些企業設計陽極時,才會嘗試向石墨內擠入一些矽;特斯拉CEO 馬斯克曾說,他的公司正在開發此類電池。

如果能製造出在商業上可行的矽陽極(完全用矽製造),那會是一大進步。不過因為矽元素有一些自身特點,很難做到。當石墨吸收鋰離子時,體積不會有太大變化。如果是矽陽極,在相同的條件下會膨脹到原來的四倍。

真遺憾,你不能只是擴大外殼,讓它適應膨脹,膨脹還會破壞矽陽極「固體電解質膜」(SEI)。

你可以將SEI 視為保護層,它可以保護陽極,就像鐵產生鐵鏽一樣,也就是所謂的氧化鐵,它能起到保護作用。當外面多了一層,與氧氣的反應就會減速。在鐵鏽之下,鐵的氧化速度會變慢,內部更堅固。

當電池第一次充電時,電極會形成自己的「鐵鏽」層,也就是SEI,將電極未被侵蝕的部分與其它部分分離。SEI 可以阻止其它化學反應,防止電極遭到侵蝕,確保鋰離子能夠盡可能平穩地移動。

如果引入矽陽極,當我們用電池給其它設備充電時,每一次SEI 都會分解,每次充電之時再度形成。在每一個充電循環週期中,會有一些矽被消耗。最終,矽消耗會達到一定程度,然後電池就不能再用了。

在過去10 年裡,一些矽谷創業公司不斷尋找解決方案。例如,Sila Nano 找到一種方法,它將矽原子封裝在奈米殼內,裡面有許多的「空房間」。這樣一來SEI 就會在殼外形成,矽原子膨脹是在內部發生的,每次充放電循環時不會破壞SEI。Sila Nano 的估值達到3.5 億美元,它曾說技術最快2020 年就會用於設備。

還有 Enovix,它引入特殊製造技術,將100% 的矽陽極置於極大的物理壓力環境,迫使它盡可能少吸收鋰離子,這樣一來陽極的膨脹就會受到限制,防止SEI 損壞。Enovix 拿到了英特爾、高通的投資,預計它開發的電池會在2020 年用於設備。

從這些企業的研究看,矽陽極無法達到理論高能量密度。不過兩家公司都說,相比石墨陽極,它們的電極表現更好。第三方正在對電池進行測試。

小米11 Pro、小米11 Ultra:矽氧負極電池

而最近小米發表的「矽氧負極電池」也是從電極來解決的解法,小米表示,在電池負極增加了矽氧化合物,能夠有效降低了矽顆粒分化的風險,安全性大大提高。讓手機的電池達到在相同容量下,更輕薄容量更大的效果,而留出的位置可以用來提供給更多的元件或是散熱之用。

目前,矽負極電池作為電池材料的新方向,已經應用在部分電動車的電池上,而手機業則可能是這種新材料電池的下一個發展。小米表示,隨著矽氧負極電池的持續發展,手機電池將變得充電更快、更輕薄、又兼具大容量特性,這會是電池技術的未來方向。

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用了會爆炸?固態電池解決安全問題

為了充入更多的能量,對分子進行修補,可能會影響安全。自發明以來,鋰離子電池總是因為起火引起麻煩。1990 年代,加拿大 Moli Energy 開始將鋰鐵電池用於手機,正式商用,不過到了現實世界,電池存在起火隱患,Moli 被迫召回產品,最終公司申請破產。公司一些資產被中國台灣企業收購,Moli 自己現在仍然打著 E-One Moli Energy 的品牌名義銷售鋰電池。

最近,三星Galaxy Note 7 也因為電池起火被召回,手機裝備的是鋰離子電池。2016 年召回時,三星損失53 億美元。

鋰離子電池仍然有起火隱患,因為它們大多都用易燃液體作為電解質。真是不幸,液體能夠輕鬆運輸離子,但它們卻容易起火。有一種辦法就是使用固態電解質。不過固態電解質也有其它缺點。固體更堅硬,你不妨想像一樣,將骰子扔進水里和沙裡,在水中它接觸的表面會比沙子多很多。

目前,只有低能耗環境才會用上固態電解質鋰離子電池,比如互聯感應器。為了擴大固態電池的應用範圍,大家一般有兩個選擇:一是高溫固體聚合物,二是室溫陶瓷。

我們再解釋一下:

高溫固體聚合物:聚合物是很長的分子鏈連接在一起。在日常應用中,這種材料很常見,塑膠袋就是由聚合物組成的。當一些聚合物加熱之後會變得像液體一樣,不過它們不像液體電解質那麼易燃。換言之,它們擁有很高的離子電導率,就像液體電解質一樣,但是沒有易燃風險。

可惜,聚合物也有自己的局限性。它們只能在105 攝像度以上工作,不適合手機。不過我們可以在家用電池中引入,用來儲存電網電能。至少有兩家公司正在開發,一是美國 SEEO,二是法國Bollor,它們都在開發新固態電池,用高溫聚合物作為電解質。

室溫陶瓷:在過去10 年裡,有兩種陶瓷向我們證明,在室溫環境下,它的離子導電率和液體一樣好,一是 LLZO(鋰,鑭,氧化鋯),二是LGPS(鋰,鍺,硫化磷)。

豐田與矽谷創業公司 QuantumScape 都在開發陶瓷鋰離子電池。卡內基美隆大學專家Viswanathan 說:「在未來2 年或者3 年,我們極有可能會看到一些真正的陶瓷電池出現。「

最終只是平衡

電池是一項大業務,市場規模還在增長。錢在那裡,企業家也就湧向那裡,帶來各種創意。不過電池創業公司處境艱難,因為失敗率比軟體企業高。為什麼?想在材料科學領域取得突破是一件很難的事。

電池化學家發現,當他們嘗試提高一極時(比如能量密度),另一極就會削弱(比如安全)。因為要保持平衡,想在各個方面取得進步就會很難,速度很慢,還會帶來多種問題。

不過瞄準電池的專家也越來越多,這是一個好消息。MIT 專家Yet-Ming Chiang 說,與10 年前相比,美國研究電池的科學家多了2 倍,成功的機率上升了。電池的潛力相當巨大,考慮到挑戰很大,難度很高,當我們聽到某人說新電池有多好時,最好還是帶著懷疑的眼光審視一下。

  • 本文授權轉載自:ifanr

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