美国的“破坏性创新” 正打破锂电池 “牢笼”

为了给智能手机或特斯拉 Model 3 供电,目前来看,还没有比锂电池更好的选择。自1991年推出以来,可充电锂电池一直是日常科技设备和电动车的标准。

为了给智能手机或特斯拉 Model 3 供电,目前来看,还没有比锂电池更好的选择。

自1991年推出以来,可充电锂电池一直是日常科技设备和电动车的标准。当前,世界上有300多万辆电动汽车使用锂离子电池。但随着世界向电动汽车的未来迈进,它需要比锂离子电池更高效的东西来跟上步伐。

一个产业共识是,锂电池现有材料体系现在几乎是已经碰壁。如果真的想增加能量密度,就必须采用一种完全不同的模式。更高的能量密度意味着电池更便宜、更轻和更长的续航里程。

也正是在这样背景之下,一些新的初创企业将目光投向新的材料体系及下一代电池的产业化上,以期生产出更好的电池,这些电池成本更低、能量密度更高、性能更好,适用于增压工业产品和消费技术,以及充电速度更快、行驶距离更长的电动汽车。

这其中,美国企业就极具代表性,德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会发布的一份全球锂电产业发展的报告中,特别提及了美国在研发和产业领域的破坏性创新,即实现至少一种性能参数,如能量密度比现有的锂离子电池有显着改进的技术。

事实也的确如此,从今年开始,包括Sila Nanotechnologies、Solid Power、Quantum Scape等几家初创企业将把他们的电池推向商业市场。这些企业认为,与目前的锂离子电池技术相比,它们的电池技术有了很大进步。

Sila Nanotechnologies的首席执行官Gene Berdichevsky说:“我们花了8年时间,大概进行了3.5万次材料合成,才有了商业化的东西。”

美国的“破坏性创新” 正打破锂电池 “牢笼”

Sila Nanotechnologies公司正在建设其第一条硅负极电池商业生产线。

Sila只是几个电池初创企业之一,最近收到重大资金继续调整电池技术。去年,位于加利福尼亚的公司阿拉米达总部承担了7000万美元的D轮融资,来自包括西门子全球风险投资公司在内的几个投资者,用来建立它的第一个商业硅负极电池生产线。

这距离埃隆·马斯克旗下特斯拉的第七员工、机械和能源工程师伯迪舍夫斯基(Berdichevsky)成为该公司联合创始人刚好十年。伯迪舍夫斯基曾经领导了特斯拉跑车(Tesla Roadster)电池系统的开发。Tesla Roadster跑车曾经被马斯克旗下SpaceX发射送入太空轨道中。

投资回报即将到来

目前锂离子电池的新材料体系已经花了大约10年的时间来研究。直到现在,初创企业才开始为商业聚光灯做准备,这一推出至少需要几年时间,甚至可能还要整整十年。

“一辆汽车所需的材料相当于1万部智能手机或1000块智能手表,”伯迪舍夫斯基说。“我们将从消费设备开始。在未来五年,我们将扩大与汽车合作伙伴的规模。”

Sila目前的汽车合作伙伴之一是宝马。

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目前的锂离子电池在材料和物理能量密度方面受到限制。新电池技术旨在提高锂离子电池的安全性和能源效率,因为这样即便是电池过热或损坏,也不会有起火的风险。

每个锂离子电池由四个基本部分组成:正极和负极(每个锂离子电池两端的电极)、液体电解质和隔膜。当电解液携带锂离子通过隔膜进出正极和负极时,就会产生正负电流。正是这个过程产生了储存在电池里的电量。

如果组成正极和负极的化学物质——分别是石墨和某种金属氧化物——温度过高,就会破坏隔膜,从而暴露出高度易燃的电解质。回想一下三星Galaxy Note 7手机爆炸的情况,你就会发现这个问题。目前锂离子的最大能量密度约为250wh/kg;相比之下,目前大多数电动汽车电池的电芯能量密度为220——250wh/kg。

备战下一代电池

固态电池是一种新的电池技术,它不仅用锂金属制成的负极取代石墨负极,还用一块固体(通常是陶瓷、玻璃或阻燃聚合物)代替液体电解质和隔膜。采用这种方法的是总部位于科罗拉多州的固态电池制造商Solid Power,该公司在2018年获得了2000万美元的A轮融资。据该公司高管称,他们正在开发的电池至少能增加50%的能量密度。

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Sila Nanotechnologies创始人(从左至右):首席技术官Gleb Yushin,首席执行官Gene Berdichevsky和工程副总裁Alex Jacobs

神秘的斯坦福大学(Stanford University)的子公司Quantum Scape也在与大众汽车合作开发固态电池。去年大众增加了1亿美元的投资。Pitch Book的数据显示,这家总部位于圣何塞的初创公司估值17.5亿美元。

根据宣布这笔交易的新闻稿,Quantum Scape的电池一次充电可以让大众的E-Golf行驶750公里(目前的行驶里程为300公里),使其能够与传统动力汽车的行驶里程相媲美。大众汽车表示,Quantum Scape的电池应该比目前的锂离子电池充电速度更快、重量更轻。

不过,正如日产一位副总裁去年所说,固态电池可能要到下个10年的某个时候才能全部上市。甚至Quantum Scape的新闻稿也宣布了2025年的商业生产目标。固态技术的更长的时间表是解决当前电池工厂如何建立。

现有锂电池工艺设计初衷是用液体电解质来处理锂离子电池的生产,而改用固体材料则不仅仅是更换工厂车间的生产流程那么简单。“这是一项处于商业化非常、非常早期阶段的新兴技术,”Solid Power的业务开发主管迪恩-弗兰克尔(Dean Frankel)说。“从扩大规模的角度来看,这只是需要时间。”

尽管一些初创企业正致力于完善和扩大固态电池的规模,但像Sila Nanotechnologies这样的公司则希望利用目前的锂离子制造工艺,将电池快速推向市场。Sila不是制造固态电池,而是用硅材料代替石墨阳极,硅材料吸收锂离子的速度是石墨的四倍。

更重要的是,大多数带有石墨负极的锂离子电池的充电倍率(C率)低于1C。用硅阳极开发新电池的初创企业表示,他们的电池的倍要高得多,这是实现电动车未来的一个关键区别,因为大多数人不愿意等一个多小时才给汽车充电,而给汽车加油只需几分钟。

Enevate首席执行官罗伯特•a•兰戈(Robert a . Rango)表示:“我们可以维持比传统石墨电池快10倍的充电速度。”这家总部位于加州欧文的公司正在研发一款采用硅阳极的下一代锂离子电池,该公司获得了1.11亿美元的资金,其中包括韩国电池公司LG化学去年的一笔投资。

Rango表示,Enevate的电池研发工作已经进行了10年,距离该技术的首次商业应用大约还有一年半的时间,最有可能是在电动自行车和小型摩托车上。

不过,硅负极电池有一个潜在的缺点:硅材料膨胀,这意味着每次充电都会导致电池变质。

Berdichevsky和Rango都表示,他们各自的公司已经解决了这个问题。兰戈表示:“硅确实存在膨胀现象,这一直是该行业面临的挑战之一。”

“在我们的电池中,我们已经能够控制膨胀。我们的电池规格符合电动汽车的要求。这种电池在充电和放电1000次后,充电率可以达到80%。”

这些初创企业的漫长发展历程表明,推动电池技术的发展是多么困难。虽然电动汽车系列的改进肯定是更好的电池的主要影响之一,但目前锂离子电池的后续产品很可能在更小的产品中找到。

伯迪舍夫斯基说:“这是必须要发生的技术变革。在现有电池的150年里,已经有四种与商业相关的化学物质进入市场。每次使用这些新的化学试剂,转变会变得更难。”

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