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电池大突破到底何时到来?

2019-06-16    来源:中国节能网
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[ 导读 ]:如果想让电池再次改变我们的生活,有三个问题需要解决:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。
如果想让电池再次改变我们的生活,有三个问题需要解决:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

电动飞机可能会成为航空的未来。从理论讲,电动飞机相比传统飞机更安静、更便宜、更环保。如果充电一次电动飞机能够飞1000公里,它就可以完成今天近一半的商务飞行任务,让全球航空碳排放削减15%。

电动汽车也一样。事实上,电动汽车不只环保,而且它还是更棒的汽车。电机几乎没有什么噪音,能够快速响应司机的命令。给汽车充电的成本比烧油便宜得多。电动汽车只有很少的活动部件,维护成本更低。

为什么电动汽车还没有普及呢?因为电池太昂贵,购买电动汽车的前期投入比相似的汽油汽车更大。除非你老是开着汽车,否则省下的汽油钱还不够弥补前期支付成本的。简单来说,电动汽车仍然不够经济。

按重量或者体积计算,目前的电池还无法用来驱动客机。人类需要在电池技术上取得突破,然后它们才能真正流行。

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,人类发明第一块电池,自此之后的两个多世纪,我们不断研究,但是科学家仍然无法完全理解设备内部到底发生了什么。我们只是知道,如果想让电池再次改变我们的生活,有三个问题需要解决:功率(power)、能量(energy)和安全(safety)。

没有万能锂电池

每一块锂电池都有两极:阴极和阳极。大多锂电池的阳极是用石墨制造的,阴极却有多种不同的材料,具体要看电池用在哪里。从下面这张图中,你可以看到不同的阴极材料对电池性能的影响。

功率的挑战

许多时候,我们经常会将“Energy”和“Power”混用,不过放在电池上,二者的含义有点不同。Power代表能量的释放速度。我们管它叫功率。

如果想让商务喷气式飞机充电一次飞1000公里,需要强大的电池,在非常短的时间内释放足够大的能量,在起飞时尤其如此。所以说,光是在电池中存储大量能量还不够,还要以很快的速度释放。

如果想解决功率问题,就要深入了解一些商务电池的内部结构。我们总是炒作新电池技术,主要是因为我们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。大多专家认为,在未来10年甚至更长的时间内,没有其它化学物质可以击败锂最子。锂离子电池有两个电极(阴极和阳极),还有一个分离器(一种传导离子而非电子的材料,可以防止短路),分离器放在中央,还有电解液(通常是液体),它让锂离子在两极之间来回流动。当电池充电时,离子从阴极流向阳极,当电池放电时,离子向相反的方向移动。

我们不妨将它想象成两块面包,左边一块是阴极,右边一块是阳极。我们不妨假定阴极是由镍、锰、钴片(NMC)组成的,阳极是由石墨组成的,它相当于让碳原子一层一层叠加。

在放电状态下,NMC面包在夹层之间会有锂离子夹心。电池充电时,锂离子从夹层中提取,被迫穿过液体电解质。分离器确保只有锂离子能穿过石墨层。当电池完全充满电,阴极不会有再有任何锂离子,它们全都整齐排列在石墨块之间。当电池释放电能时,锂离子向阴极回流,直到阳极没有任何锂离子。此时我们就要再次给电池充电了。

从本质上讲,电池的功率是由处理速度的快慢决定的。要想加快速度没有那么简单。将锂离子从阴极中抽取,如果速度太快,层会受损。正因如此,手机、笔记本、电动汽车使用时间越长,电池寿命也全变短。每一次充电放电,都会让“面包块”变得脆弱。

许多公司正在寻找更好的解决方案。有一种构想是这样的:用结构更坚固的物质替代电极层。例如,瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术,它用磷酸铁锂(LFP)作为阴极,拥有橄榄石型结构,用锂钛氧化物(lithium titanate oxide,LTO)作为阳极,它拥有尖晶石型结构。用这样的材料制作电池,锂离子流动效率更高。

目前Leclanché已经将自己的电池装进无人驾驶叉车,9分钟就能充满100%的电量。对比特斯拉超级充电器,它给特斯拉汽车充满50%的电量大约要10分钟。在英国,Leclanché正在部署,想将自己的电池装到快速充电电动汽车上。电池装在充电站,缓慢从电网吸收电量,直到完全充满。当汽车入站,电池会给汽车电池快速充电。当汽车离开,充电站的电池又开始充电。

Leclanché’s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,增强电池功率。不过到目前为止,人类还没有找到能量释放足够快、可以满足商务飞机需要的电池。一些创业公司正在开发小型飞机,最多可以坐12人,它们可以安装能量密度更低的电池,或者是电力混动飞机,当飞机起飞时用燃油,巡航时用电池。

可惜,虽然研究的公司很多,但没有一门技术接近商用。卡耐基梅隆大学电池专家Venkat Viswanathan说,纯电动商务飞机需要的电池可能还要几十年才能研究出来。

能量挑战

Model 3是特斯拉最便宜的汽车,起步价35000美元。汽车装备50千瓦时电池,成本大约8750美元,占了汽车总价的25%。

相比前几年,这样的成本已经降了很多。根据彭博新能源财经的报告,2018年锂离子电池的平均成本大约是每千瓦时175美元,2010年约为1200美元。

按照美国能源部的计算,一旦电池成本降到每千瓦时125美元,拥有并使用一辆电动汽车的成本就会汽油汽车低,至少在全球大多地区如此。并不是说到时在所有细分市场及主要市场,电动汽车会全面战胜汽油汽车,比如,长续航卡车用电池驱动还不是很合适。不过如果到了这一转折点,大家选择电动汽车就会变得更容易,因为从经济角度看已经可以接受了。

要想达到这一转折点,有一个办法就是增加电池的能量密度,向电池组挤入更多的千瓦时。从理论上讲,我们在电池化学方面是可以做到的,要么增强阴极的能量密度,要么增强阳极的能量密度,要么同时提升。

在商用材料中,能量密度最高的阴极是NMC 811(数字代表镍、锰和钴的比例)。不过这种电极仍然不完美。最大的问题是电池的充放电循环次数相对较少,然后就没法用了。不过专家预测,在未来5年内,行业研究人员将会解决NMC 811问题。如果真的做到,使用NMC 811的电池能量密度将会提高10%甚至更多。

尽管如此,提升10%也并不是很多。在过去几十年里,出现不少创新,阴极的能量密度的确提高了,现在机会在于阳极。

制造阳极时,石墨仍然占主导地位。便宜、可靠、能量密度也可以,这是它的优势。不过与其它潜在的阳极材料相比,比如硅、锂,堆叠时石墨相对比较脆弱。

从理论上讲,硅吸收锂离子时比石墨更好。正因如此,一些企业设计阳极时,才会尝试向石墨内挤入一些硅;特斯拉CEO马斯克曾说,他的公司正在开发此类电池。

如果能制造出在商业上可行的硅阳极(完全用硅制造),那会是一大进步。不过因为硅元素有一些自身特点,很难做到。当石墨吸收锂离子时,体积不会有太大变化。如果是硅阳极,在相同的条件下会膨胀到原来的四倍。

真遗憾,你不能只是扩大外壳,让它适应膨胀,膨胀还会破坏硅阳极“固体电解质膜”(SEI)。

你可以将SEI视为保护层,它可以保护阳极,就像铁生成铁锈一样,也就是所谓的氧化铁,它能起到保护作用。当外面多了一层,与氧气的反应就会减速。在铁锈之下,铁的氧化速度会变慢,内部更坚固。

当电池第一次充电时,电极会形成自己的“铁锈”层,也就是SEI,将电极未被侵蚀的部分与其它部分分离。SEI可以阻止其它化学反应,防止电极遭到侵蚀,确保锂离子能够尽可能平稳地移动。

如果引入硅阳极,当我们用电池给其它设备充电时,每一次SEI都会分解,每次充电之时再度形成。在每一个充电循环周期中,会有一些硅被消耗。最终,硅消耗会达到一定程度,然后电池就不能再用了。

在过去10年里,一些硅谷创业公司不断寻找解决方案。例如,Sila Nano找到一种方法,它将硅原子封装在纳米壳内,里面有许多的“空房间”。这样一来SEI就会在壳外形成,硅原子膨胀是在内部发生的,每次充放电循环时不会破坏SEI。Sila Nano的估值达到3.5亿美元,它曾说技术最快2020年就会用于设备。

还有Enovix,它引入特殊制造技术,将100%的硅阳极置于极大的物理压力环境,迫使它尽可能少吸收锂离子,这样一来阳极的膨胀就会受到限制,防止SEI损坏。Enovix拿到了英特尔、高通的投资,预计它开发的电池会在2020年用于设备。

从这些企业的研究看,硅阳极无法达到理论高能量密度。不过两家公司都说,相比石墨阳极,它们的电极表现更好。第三方正在对电池进行测试。

安全挑战

为了充入更多的能量,对分子进行修补,可能会影响安全。自发明以来,锂离子电池总是因为起火引起麻烦。1990年代,加拿大Moli Energy开始将锂铁电池用于手机,正式商用,不过到了现实世界,电池存在起火隐患,Moli被迫召回产品,最终公司申请破产。公司一些资产被中国台湾企业收购,Moli自己现在仍然打着E-One Moli Energy的品牌名义销售锂电池。

最近,三星Galaxy Note 7也因为电池起火被召回,手机装备的是锂离子电池。2016年召回时,三星损失53亿美元。

锂离子电池仍然有起火隐患,因为它们大多都用易燃液体作为电解质。真是不幸,液体能够轻松运输离子,但它们却容易起火。有一种办法就是使用固态电解质。不过固态电解质也有其它缺点。固体更坚硬,你不妨想象一样,将骰子扔进水里和沙里,在水中它接触的表面会比沙子多很多。

目前,只有低能耗环境才会用上固态电解质锂离子电池,比如互联传感器。为了扩大固态电池的应用范围,大家一般有两个选择:一是高温固体聚合物,二是室温陶瓷。

下面依次解释一下:

高温固体聚合物:聚合物是很长的分子链连接在一起。在日常应用中,这种材料很常见,塑料袋就是由聚合物组成的。当一些聚合物加热之后会变得像液体一样,不过它们不像液体电解质那么易燃。换言之,它们拥有很高的离子电导率,就像液体电解质一样,但是没有易燃风险。

可惜,聚合物也有自己的局限性。它们只能在105摄像度以上工作,不适合手机。不过我们可以在家用电池中引入,用来存储电网电能。至少有两家公司正在开发,一是美国SEEO,二是法国Bollor,它们都在开发新固态电池,用高温聚合物作为电解质。

室温陶瓷:在过去10年里,有两种陶瓷向我们证明,在室温环境下,它的离子导电率和液体一样好,一是LLZO(锂,镧,氧化锆),二是LGPS(锂,锗,硫化磷)。

丰田与硅谷创业公司QuantumScape都在开发陶瓷锂离子电池。卡耐基梅隆大学专家Viswanathan说:“在未来2年或者3年,我们极有可能会看到一些真正的陶瓷电池出现。 “

最终只是平衡

电池是一项大业务,市场规模还在增长。钱在那里,企业家也就涌向那里,带来各种创意。不过电池创业公司处境艰难,因为失败率比软件企业高。为什么?想在材料科学领域取得突破是一件很难的事。

电池化学家发现,当他们尝试提高一极时(比如能量密度),另一极就会削弱(比如安全)。因为要保持平衡,想在各个方面取得进步就会很难,速度很慢,还会带来多种问题。

不过瞄准电池的专家也越来越多,这是一个好消息。MIT专家 Yet-Ming Chiang说,与10年前相比,美国研究电池的科学家多了2倍,成功的机率上升了。电池的潜力相当巨大,考虑到挑战很大,难度很高,当我们听到某人说新电池有多好时,最好还是带着怀疑的眼光审视一下。

 
关键词: 电池 储能
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