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现在的电池新技术,还能再突破吗?

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2022-03-04 11:03:15   点击量:170

浩博电池网讯:如果我们在搜索引擎中输入“电池”和“突破”两个词,会出现一页又一页的链接,包括世界各地的实验室研发成果、电池制造商的新进展或企业间可能投资高达数亿美元的大型合作项目。这些文章通常从标题开始就震慑力十足,无一不闪耀着崇高至上的科学光芒。


然而,根据科学家、工程师、创业公司创始人和业内分析师的说法,在电池技术方面使用“突破”一词充其量是一种夸大事实的过度营销。他们总是在说,最新的研究发现或创业公司推出的产品将在不久的将来“开花结果,带来重大变革”——都是无稽之谈罢了。


“你都不需要对这个行业有多了解,只要接触一段时间,很快就能听到‘骗子电池供应商’这样的话。”电池创业公司Conamix的首席执行官兼联合创始人夏洛特·汉密尔顿(CharlotteHamilton)说。该公司成立于2014年,正在研发的技术得到了风险资本家和美国情报界的研究机构IARPA的资助。


实验室里的突破No.1:斯坦福大学的科学家们想出了中和死锂块的方法,使它们恢复活力,与电极重新连接,为电池增加30%的寿命。


电池高需求的行业现状


电池在人们日常生活中变得越来越不可或缺。它们的容量决定了人们给智能手表或手机等设备充电的频率,也是电动汽车车主能否缓解“续航焦虑”的核心。同时,电力存储对于可再生能源的需求增长也至关重要。


所有这些因素都提高了对于电池的量产和性能要求,使该行业成为投资者最热衷的领域之一。根据资本市场数据公司PitchBook的统计,去年风险资本家向助力电气化转型的初创企业投入了近180亿美元,包括电池研发和锂矿开采。


考虑到电池领域正面临亟待发展的关口,这些对于新电池突破的夸大其词,往往可以归结为科技行业的哗众取宠。


举个典型的例子:早在电气化运动来袭之前,锂硫电池就被认为是电池行业可持续、高性能的下一个选择,但从未接近商业化。可是它的研发者却宣称:续航能力达到2000英里(3219公里)的电动汽车指日可待。


哈佛大学的李鑫教授说:“人们喜欢看到‘突破’,但当我们写论文时,我们都会尽量避免使用这类词汇。在我看来,过去5年有太多的‘电池突破’,但并没有多少能在商业产品中实现。”他的团队最近在科学杂志《自然》上发表了关于一种新型高容量固态电池的论文。


肆意炒作当然要付出实质性的代价。投资者难以从眼花缭乱的观点中找到值得的选择,而那些直言不讳的初创企业可能会失去机会。


汉密尔顿说:“这使很多研究公司很难筹集到资金。如果我诚实地说,‘我们有世界上最好的锂硫电池,但它目前还不足以用于电动汽车’,我的主张就不会有多少人关注。”她的公司正在努力改变一个关键电池部件的材料,以便以更低的成本装入更多的能量。


实验室里的突破No.2:荷兰特文特大学的科学家用一种叫做铌酸镍的材料制造了一个阳极,比今天的锂离子电池充电快10倍。


锂离子电池的内在复杂性


锂离子电池在1991年首次商业化,距离现在已经过去了30年。在这漫长的时期内,真正的突破式发展少之又少。


“当我们在2003年创办特斯拉时,电池已经足够好了。我们注意到它们在以一个缓慢但较平稳的速度发展,这样的发展曲线已经持续了很长时间。”特斯拉联合创始人马克·塔彭宁(MarcTarpenning)说,“但是已经过去19年了,我们仍然没有在电池容量上达成质的飞跃,每年增长速度也就是7%-8%。”


电池的发展偏向于潜移默化,而不是革命性的飞跃。总的来说,这归因于高容量电池的内在复杂性。在分子水平上,普通的锂离子电池内部发生的是一连串复杂的化学反应,这才是真正困难的部分——当电池充电时是正向的,当它放电时是反向的,而且必须无数次地重复这个过程。


许多理论上可以使现有电池容量增加1-3倍的方法,在几个充电周期后都没有被证实是有效的。比如上文提到的锂硫电池,从纸面上看,它的容量可以达到目前电池的近10倍,然而如果真的用制造当前电池的方法来制造它,它却会在1-2个充电周期后几乎完全损坏。


今天生产的大多数电池都用于电动汽车,而不是消费类电子产品。特斯拉生产的最小的电池组所包含的能量等于1666部iPhone手机的电池组;一辆电动悍马则与7000部iPhone手机的电池组能量相当。因此,电动汽车毫无疑问是现在电池制造的最主要驱动力。


作为最大需求主体,汽车制造商的要求也成为了电池制造必须满足的标准。然而,这些要求往往不会反映在研究人员和初创企业对于其电池性能的报告中。


汉密尔顿说,虽然在实验室里制造一个在某项指标上表现良好的电池很容易,但在报告研究结果的时候,很多人就会开始“耍心眼”了。他们会在报告中淡化这样一个事实:实际应用的电池必须在至少几个性能上表现良好:可为加速提供动力;有较高的能量重量比,以实现长距离行驶;可持续数千次充放电循环;可在广泛的温度范围内运行以及在损坏时起火的可能性足够低。


此外,电池的成本不能太高,因为电池是电动汽车成本的很大一部分。


实验室里的突破No.3:美国的一个科学家团队使用来自木材的纤维素纳米纤维,该材料的导电性比其他聚合物离子导体高10倍至100倍。


遥遥无期的商业化道路


即使一个十分有前途的新电池技术可以通过可行的方法来实现,另一个挑战也同样巨大:大规模生产。


塔彭宁说,我们已经在现有的锂离子电池技术上投入了大量的资金和研发,这些积累的巨大投资是任何能够与之竞争的新技术都无法相比的。因此,除非这个新技术能在现有设施内以几乎相同的方式进行生产,否则会很难大范围投产。


汽车制造咨询公司Munro&Associates的总裁科里·斯托本(CorySteuben)说,按照汽车制造商的要求将新的电池技术商业化,可能需要数十亿美元的投资,这些投资必须以这些电池的初始成本较高的形式收回。


当然,这并不是说,有前途的新电池技术永远不会被商业化。


还有许多公司没有拿着喇叭到处宣扬“突破进展”,只是在默默地继续着改进现有电池技术的艰苦工作。Coreshell就是这样一家初创公司,他们更多的是在做性能上的微小改进。它刚刚获得了1200万美元的A轮融资,塔彭宁也是公司顾问之一。


Coreshell公司首席执行官兼联合创始人乔纳森·谭(JonathanTan)说,Coreshell正试图将一种用于锂离子电池关键部分的薄涂层商业化,该涂层能使电池在更高温度下安全运行,并减缓其降解。


汽车电池的一个大问题是对大量独立电池组进行冷却。这对性能和安全都很关键,而且在这些电池组的体积和重量在车中占了很大比重。


在回报和风险的另一端,研究人员正在努力研究制造电池的新方法,并了解其不同组件如何相互作用。由于电池技术依赖于大量物质之间复杂的、多步骤的化学反应,大多数人对它们的工作原理仍旧不能完全理解。


实验室里的突破No.4:麻省理工学院的科学家们研究的由钠钾合金制成的“半固体”电极,电流密度比其他固态电池高大约20倍。


在哈佛大学,李教授的团队已经研究出一种新方法,使固态电池的寿命更长。从理论上讲,这可以使目前电池中的元素组合产生一种容量大得多的产品,而且从长远来看,它可以与其他新型化学材料(如锂硫)一起使用,使汽车和零部件制造商生产出某种新的革命性的高性能电池。


但商业化依旧是个大问题。李教授说,这项技术的商业化还需要数年时间,与此同时他们还面临着许多挑战,更不用说从研究结果到规模化生产之间的漫长道路上,往往还会出现一些不期而至的未知障碍。


塔彭宁说,即使出现了真正的“突破性”技术,并且最终能够进入市场,看不到尽头的开发周期可能使其价值缩水——最终只是作为现有电池组容量的下一个增量。毕竟现有的电池技术也在一刻不停歇地发展中。


“可能再过一些年,当我们终于看到了翘首以盼的新技术投产,会感叹:‘哦,原来只不过是另一个7%-8%的改进’。”

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