為了給智能手機或特斯拉 Model 3 供電，目前來看，還沒有比鋰電池更好的選擇。
自1991年推出以來，可充電鋰電池一直是日?？萍荚O備和電動車的標準。當前，世界上有300多萬輛電動汽車使用鋰離子電池。但隨著世界向電動汽車的未來邁進，它需要比鋰離子電池更高效的東西來跟上步伐。
一個產業(yè)共識是，鋰電池現有材料體系現在幾乎是已經碰壁。如果真的想增加能量密度，就必須采用一種完全不同的模式。更高的能量密度意味著電池更便宜、更輕和更長的續(xù)航里程。
也正是在這樣背景之下，一些新的初創(chuàng)企業(yè)將目光投向新的材料體系及下一代電池的產業(yè)化上，以期生產出更好的電池，這些電池成本更低、能量密度更高、性能更好，適用于增壓工業(yè)產品和消費技術，以及充電速度更快、行駛距離更長的電動汽車。
這其中，美國企業(yè)就極具代表性，德國弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會發(fā)布的一份全球鋰電產業(yè)發(fā)展的報告中，特別提及了美國在研發(fā)和產業(yè)領域的破壞性創(chuàng)新，即實現至少一種性能參數，如能量密度比現有的鋰離子電池有顯著改進的技術。
事實也的確如此，從今年開始，包括Sila Nanotechnologies、Solid Power、Quantum Scape等幾家初創(chuàng)企業(yè)將把他們的電池推向商業(yè)市場。這些企業(yè)認為，與目前的鋰離子電池技術相比，它們的電池技術有了很大進步。
Sila Nanotechnologies的首席執(zhí)行官Gene Berdichevsky說：“我們花了8年時間，大概進行了3.5萬次材料合成，才有了商業(yè)化的東西?！?/p>
Sila Nanotechnologies公司正在建設其第一條硅負極電池商業(yè)生產線。
Sila只是幾個電池初創(chuàng)企業(yè)之一，最近收到重大資金繼續(xù)調整電池技術。去年，位于加利福尼亞的公司阿拉米達總部承擔了7000萬美元的D輪融資，來自包括西門子全球風險投資公司在內的幾個投資者，用來建立它的第一個商業(yè)硅負極電池生產線。
這距離埃隆·馬斯克旗下特斯拉的第七員工、機械和能源工程師伯迪舍夫斯基(Berdichevsky)成為該公司聯(lián)合創(chuàng)始人剛好十年。伯迪舍夫斯基曾經領導了特斯拉跑車(Tesla Roadster)電池系統(tǒng)的開發(fā)。Tesla Roadster跑車曾經被馬斯克旗下SpaceX發(fā)射送入太空軌道中。
投資回報即將到來
目前鋰離子電池的新材料體系已經花了大約10年的時間來研究。直到現在，初創(chuàng)企業(yè)才開始為商業(yè)聚光燈做準備，這一推出至少需要幾年時間，甚至可能還要整整十年。
“一輛汽車所需的材料相當于1萬部智能手機或1000塊智能手表，”伯迪舍夫斯基說。“我們將從消費設備開始。在未來五年，我們將擴大與汽車合作伙伴的規(guī)模?！?/p>
Sila目前的汽車合作伙伴之一是寶馬。
目前的鋰離子電池在材料和物理能量密度方面受到限制。新電池技術旨在提高鋰離子電池的安全性和能源效率，因為這樣即便是電池過熱或損壞，也不會有起火的風險。
每個鋰離子電池由四個基本部分組成：正極和負極(每個鋰離子電池兩端的電極)、液體電解質和隔膜。當電解液攜帶鋰離子通過隔膜進出正極和負極時，就會產生正負電流。正是這個過程產生了儲存在電池里的電量。
如果組成正極和負極的化學物質——分別是石墨和某種金屬氧化物——溫度過高，就會破壞隔膜，從而暴露出高度易燃的電解質?；叵胍幌氯荊alaxy Note 7手機爆炸的情況，你就會發(fā)現這個問題。目前鋰離子的最大能量密度約為250wh/kg；相比之下，目前大多數電動汽車電池的電芯能量密度為220——250wh/kg。
備戰(zhàn)下一代電池
固態(tài)電池是一種新的電池技術，它不僅用鋰金屬制成的負極取代石墨負極，還用一塊固體(通常是陶瓷、玻璃或阻燃聚合物)代替液體電解質和隔膜。采用這種方法的是總部位于科羅拉多州的固態(tài)電池制造商Solid Power，該公司在2018年獲得了2000萬美元的A輪融資。據該公司高管稱，他們正在開發(fā)的電池至少能增加50%的能量密度。
Sila Nanotechnologies創(chuàng)始人(從左至右)：首席技術官Gleb Yushin，首席執(zhí)行官Gene Berdichevsky和工程副總裁Alex Jacobs
神秘的斯坦福大學(Stanford University)的子公司Quantum Scape也在與大眾汽車合作開發(fā)固態(tài)電池。去年大眾增加了1億美元的投資。Pitch Book的數據顯示，這家總部位于圣何塞的初創(chuàng)公司估值17.5億美元。
根據宣布這筆交易的新聞稿，Quantum Scape的電池一次充電可以讓大眾的E-Golf行駛750公里(目前的行駛里程為300公里)，使其能夠與傳統(tǒng)動力汽車的行駛里程相媲美。大眾汽車表示，Quantum Scape的電池應該比目前的鋰離子電池充電速度更快、重量更輕。
不過，正如日產一位副總裁去年所說，固態(tài)電池可能要到下個10年的某個時候才能全部上市。甚至Quantum Scape的新聞稿也宣布了2025年的商業(yè)生產目標。固態(tài)技術的更長的時間表是解決當前電池工廠如何建立。
現有鋰電池工藝設計初衷是用液體電解質來處理鋰離子電池的生產，而改用固體材料則不僅僅是更換工廠車間的生產流程那么簡單?！斑@是一項處于商業(yè)化非常、非常早期階段的新興技術，”Solid Power的業(yè)務開發(fā)主管迪恩-弗蘭克爾(Dean Frankel)說?！皬臄U大規(guī)模的角度來看，這只是需要時間?！?/p>
盡管一些初創(chuàng)企業(yè)正致力于完善和擴大固態(tài)電池的規(guī)模，但像Sila Nanotechnologies這樣的公司則希望利用目前的鋰離子制造工藝，將電池快速推向市場。Sila不是制造固態(tài)電池，而是用硅材料代替石墨陽極，硅材料吸收鋰離子的速度是石墨的四倍。
更重要的是，大多數帶有石墨負極的鋰離子電池的充電倍率(C率)低于1C。用硅陽極開發(fā)新電池的初創(chuàng)企業(yè)表示，他們的電池的倍要高得多，這是實現電動車未來的一個關鍵區(qū)別，因為大多數人不愿意等一個多小時才給汽車充電，而給汽車加油只需幾分鐘。
Enevate首席執(zhí)行官羅伯特·a·蘭戈(Robert a . Rango)表示：“我們可以維持比傳統(tǒng)石墨電池快10倍的充電速度?！边@家總部位于加州歐文的公司正在研發(fā)一款采用硅陽極的下一代鋰離子電池，該公司獲得了1.11億美元的資金，其中包括韓國電池公司LG化學去年的一筆投資。
Rango表示，Enevate的電池研發(fā)工作已經進行了10年，距離該技術的首次商業(yè)應用大約還有一年半的時間，最有可能是在電動自行車和小型摩托車上。
不過，硅負極電池有一個潛在的缺點：硅材料膨脹，這意味著每次充電都會導致電池變質。
Berdichevsky和Rango都表示，他們各自的公司已經解決了這個問題。蘭戈表示：“硅確實存在膨脹現象，這一直是該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一?！?/p>
“在我們的電池中，我們已經能夠控制膨脹。我們的電池規(guī)格符合電動汽車的要求。這種電池在充電和放電1000次后，充電率可以達到80%?！?/p>
這些初創(chuàng)企業(yè)的漫長發(fā)展歷程表明，推動電池技術的發(fā)展是多么困難。雖然電動汽車系列的改進肯定是更好的電池的主要影響之一，但目前鋰離子電池的后續(xù)產品很可能在更小的產品中找到。
伯迪舍夫斯基說：“這是必須要發(fā)生的技術變革。在現有電池的150年里，已經有四種與商業(yè)相關的化學物質進入市場。每次使用這些新的化學試劑，轉變會變得更難。”
