汽車電池技術(shù)“突破”為何那么難？

塞隆

鋰電池便攜設(shè)備改變了我們的生活，但電池受到物理原理的限制，技術(shù)迭代一直不大。從1799年人類發(fā)明第一塊電池，自此之后的兩個多世紀(jì)，科學(xué)家不斷研究，但仍然無法完全理解設(shè)備內(nèi)部到底發(fā)生了什么。我們只是知道，如果想讓電池再次改變我們的生活，有三個問題需要解決：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。

根據(jù)科學(xué)家、工程師、初創(chuàng)公司和分析師的說法，在當(dāng)前電池技術(shù)的背景下使用“突破”這個詞充其量只是一種宣傳行為。比如電池初創(chuàng)公司Conamix成立于 2014 年，正在尋求風(fēng)險資本家和研究機構(gòu)IARPA資助的技術(shù)。其首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人夏洛特·漢密爾頓表示：“電池供應(yīng)商都知道這門技術(shù)當(dāng)前的頂點在哪里，如果說電池技術(shù)馬上會發(fā)生革命，絕對是無稽之談。”

電池對日常生活變得越來越重要：人們對智能手表或手機充電的頻率在提高，駕駛電動汽車的司機日夜都在為里程而焦慮，電力存儲對于不斷增長的可再生能源需求也在攀升。所有這一切人類活動的改變都增加了對電池的需求，使該行業(yè)成為投資者最熱門的領(lǐng)域之一。

根據(jù) PitchBook的數(shù)據(jù)，去年風(fēng)險資本家在全球范圍內(nèi)向向電動汽車初創(chuàng)公司投入了近 180 億美元，包括電池和鋰礦開采。例如2021年8 月，中國電動汽車電池制造商Svolt（蜂巢能源）在單輪融資中凈賺16億美元。

“人們喜歡技術(shù)突破，但當(dāng)我們寫論文時，會盡量避免夸大其詞。”哈佛大學(xué)研究員李鑫說，他的團隊最近在科學(xué)雜志《自然》上發(fā)表了一些研究論文：“1991年鋰離子電池首次商業(yè)化以來的幾十年沉淀表明，它們能夠提供的真正突破很少。在我看來，媒體過去5年報道的電池‘突破’得太多了，但實話實說，能在商業(yè)產(chǎn)品中落地的乏善可陳。”

近兩年電池創(chuàng)新計劃降溫后，市場狀況是電池工廠要籌集資金變得相對困難，一位業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，初創(chuàng)公司資金有限，既要研發(fā)改變關(guān)鍵電池組件的材料，又要獲得更低的成本的采購，企業(yè)很難維持。

“當(dāng)我們在2003年創(chuàng)辦特斯拉時，電動車的電池技術(shù)正在以每年約7%到8%的速度變得更好。”特斯拉CEO馬斯克早期的合伙人馬克·塔彭寧說。“但時間過了19 年了，電池容量方面沒有發(fā)生重大變化，只是每年有那么一點點的微弱進步。”

電池技術(shù)進步變緩的原因有很多，大多數(shù)歸結(jié)為高容量電池固有的復(fù)雜性。在分子的水平上，普通鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的是一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，比如給iPhone充電的過程從來都不是完美的，最好電池品牌的容量也會隨著時間的推移而下降，到了第13代，續(xù)航問題依然是手機用戶的噩夢。

許多理論上可以使現(xiàn)有電池容量增加一倍或三倍的方法，在經(jīng)過幾個充電周期后都恢復(fù)到了正常水平。一個典型的例子是鋰硫電池，鋰硫電池以硫為正極反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓，被視為一種非常有前途的能源存儲解決方案。

鋰硫電池理論上它的容量可能是當(dāng)前電池的近 10 倍。唯一的問題：如果以與當(dāng)前電池相同的方式制造鋰硫電池，則只需一兩個充電周期后，它就會幾乎完全損壞。

鋰硫電池的體積能量密度比較低，可能僅與磷酸鐵鋰電池相當(dāng)。因為硫是絕緣體，讓它導(dǎo)電、讓它反應(yīng)、讓它分散，就必須采用大量高比表面的碳，導(dǎo)致硫/碳復(fù)合材料的密度非常小;此外，硫的反應(yīng)是先溶解再沉積，所以電極上必須存在大量的液相傳輸通道。而現(xiàn)在大部分鋰硫電池硫電極極片是不能壓的，其體積能量密度非常低。對于乘用車來說，當(dāng)能量密度達到一定值后，體積能量密度就更為重要了，因為乘用車沒有那么多地方裝電池。所以從這個意義來講，至少在車用動力領(lǐng)域，鋰硫電池是沒有什么希望的。

當(dāng)前生產(chǎn)的大多數(shù)電池都用于電動汽車，而不是消費電子產(chǎn)品，部分原因是汽車需要更多電池。特斯拉制造的最小電池組包含的能量與1666部 iPhone中的電池相同;一輛電動悍馬需要7000部 iPhone電池組的能量。

要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，電池必須通過至少六種對電動汽車至關(guān)重要的不同措施才能納入實用環(huán)節(jié)表，其中包括提供加速動力、每克重量存儲大量能量以實現(xiàn)長距離續(xù)航、持續(xù)數(shù)千次充電和放電循環(huán)、在廣泛的溫度范圍內(nèi)運行以及在損壞時不易著火等等。此外，電池還不能太貴，因為它們的價格是電動汽車成本的主要驅(qū)動力。

馬克·塔彭寧表示，現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)投入了大量資金和研發(fā)，以至于二三線的競爭對手幾乎不可能趕上，除非它可以在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)以幾乎相同的方式制造。汽車制造咨詢公司Munro & Associates的總裁科里·斯特本表示，按照汽車制造商的需求規(guī)模，將新電池技術(shù)商業(yè)化可能需要數(shù)十億美元的投資，而這些投資必須以更高的初始成本來彌補。

位于加利福尼亞州圣何塞的電池初創(chuàng)公司 QuantumScape 的工人

德國茨維考大眾汽車工廠底盤上的鋰離子電池組

特斯拉早期的Roadster，包含的電池能量與1666部iPhone中的電池相同

雖然唱了大半篇的反調(diào)，但這并不是說有前瞻性的的新電池技術(shù)永遠(yuǎn)不會商業(yè)化。許多公司正在繼續(xù)努力改進現(xiàn)有的電池技術(shù)，盡管他們傾向于不聲稱他們的技術(shù)是一項“突破”，Coreshell就是這樣一家初創(chuàng)公司，它剛剛宣布獲得1200萬美元的A 輪融資。

汽車電池的一個大問題是冷卻汽車所需的大量單個電池組。這對性能和安全都至關(guān)重要，并且占這些電池組體積和重量的很大一部分。根據(jù)Coreshell 公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人喬納森·譚的言論，Coreshell Technologies所研發(fā)特殊的納米涂層可附著于電池的電極之上，以此減輕化學(xué)反應(yīng)帶來的電池容量下降的問題，這項科技還可以有效地提高電池的電壓范圍，并提高電池的能量密度。

此外，全固態(tài)電池被公認(rèn)有望突破電化學(xué)儲能技術(shù)瓶頸，滿足未來發(fā)展需求的新興技術(shù)方向之一。在電化學(xué)儲能方面，目前鋰電池占電化學(xué)儲能比重達80%。根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)顯示，2020年電化學(xué)儲能累計裝機規(guī)模為3269.2MV，電化學(xué)儲能在可再生能源并網(wǎng)配套等領(lǐng)域的需求有望迎來快速增長，固態(tài)電池發(fā)展前景明朗。

特斯拉的4680電池技術(shù)，在經(jīng)過了一年多的“畫餅”之后，終于接近實現(xiàn)了。3月初日本松下公司宣布，將在日本和歌山的工廠搭建兩條新生產(chǎn)線，于今年3月底之前正式量產(chǎn)特斯拉的4680新型鋰離子電池。

此前，特斯拉CEO馬斯克就表示搭載4680電池的Model Y可能在今年第一季度順利下線，如今看來他的判斷大體沒有出錯。去年以來，動力電池原材料的價格經(jīng)歷了多輪上漲，也提升了消費者的購車成本，因此很多人對于更便宜、性能更好的4680電池都充滿期待。

不過，或許第一代搭載了4680電池的車型并非最值得購買的。根據(jù)國外分析人士的爆料，特斯拉將在2022年到2024年量產(chǎn)三代4680電池，電芯單顆容量分別為98Wh、108Wh和118Wh。2024年的第三代4680電池，將實現(xiàn)12.39% 的體積能量密度提升和18.67% 的重量能量密度提升。對于沒有迫切購車需求的用戶來說，等到2024年購買更成熟的型號，或許是更合適的選擇。