鉅大LARGE | 點擊量：426次 | 2022年10月17日
美國的"破壞性創新"能否打破鋰電池"牢籠"
為了給智能手機或特斯拉Model3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常科技設備和電動車的標準。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、更輕和更長的續航里程。
也正是在這樣背景之下，一些新的初創企業將目光投向新的材料體系及下一代電池的產業化上，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，美國企業就極具代表性，德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會發布的一份全球鋰電產業發展的報告中，特別提及了美國在研發和產業領域的破壞性創新，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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
事實也的確如此，從今年開始，包括SilaNanotechnologies、SolidPower、QuantumScape等幾家初創企業將把他們的電池推向商業市場。這些企業認為，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。
SilaNanotechnologies的首席執行官GeneBerdichevsky說：“我們花了8年時間，大概進行了3.5萬次材料合成，才有了商業化的東西。”
SilaNanotechnologies公司正在建設其第一條硅負極電池商業生產線。
Sila只是幾個電池初創企業之一，最近收到重大資金繼續調整電池技術。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）成為該公司聯合創始人剛好十年。伯迪舍夫斯基曾經領導了特斯拉跑車（TeslaRoadster）電池系統的開發。TeslaRoadster跑車曾經被馬斯克旗下SpaceX發射送入太空軌道中。
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，初創企業才開始為商業聚光燈做準備，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模。”
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。回想一下三星GalaxyNote7手機爆炸的情況，你就會發現這個問題。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。
備戰下一代電池
固態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電池制造商SolidPower，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，他們正在開發的電池至少能增加50%的能量密度。
SilaNanotechnologies創始人（從左至右）：首席技術官GlebYushin，首席執行官GeneBerdichevsky和工程副總裁AlexJacobs
神秘的斯坦福大學（StanfordUniversity）的子公司QuantumScape也在與大眾汽車合作開發固態電池。去年大眾增加了1億美元的投資。PitchBook的數據顯示，這家總部位于圣何塞的初創公司估值17.5億美元。
根據宣布這筆交易的新聞稿，QuantumScape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），使其能夠與傳統動力汽車的行駛里程相媲美。大眾汽車表示，QuantumScape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，固態電池可能要到下個10年的某個時候才能全部上市。甚至QuantumScape的新聞稿也宣布了2025年的商業生產目標。固態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。“這是一項處于商業化非常、非常早期階段的新興技術，”SolidPower的業務開發主管迪恩-弗蘭克爾（DeanFrankel）說。“從擴大規模的角度來看，這只是需要時間。”
盡管一些初創企業正致力于完善和擴大固態電池的規模，但像SilaNanotechnologies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。用硅陽極開發新電池的初創企業表示，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首席執行官羅伯特?a?蘭戈（Roberta.Rango）表示：“我們可以維持比傳統石墨電池快10倍的充電速度。”這家總部位于加州歐文的公司正在研發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的電池研發工作已經進行了10年，距離該技術的首次商業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，這一直是該行業面臨的挑戰之一。”
“在我們的電池中，我們已經能夠控制膨脹。我們的電池規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%。”
這些初創企業的漫長發展歷程表明，推動電池技術的發展是多么困難。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：“這是必須要發生的技術變革。在現有電池的150年里，已經有四種與商業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。”
上一篇：科學家研制新型超高導電材料
下一篇：動力鋰電池行業將邁入寡頭時代
