时间都去哪儿了:电池技术10年无突破


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 石墨负极,硅负极,金属负极,材料学家在锂电池革新上可谓“无所不用其极”,元素周期表几乎全数被塞进这个神秘曲奇,解决一切问题的新型阴极材料频繁见诸媒体头条;能量密度更高,充电速度更快,单位成本更低,循环次数更多……论文天天发,投资叠叠加,可产品呢?

自认为无需作答,每个读者手上都有苹果,安卓或WP,为什么当年1200mAh的诺基亚轻松待机1周,现而今3000mAh不忘清后台,杀进程,战战兢兢顶多勉强两天?还有某表18小时的“all-day battery”(全天续航)也是醉了。同时别忘记,当年的诺记N95使用的德仪OMAP 2420那是90nm制程,当今的主流高通骁龙怎么也是28nm了吧,按照英特尔的“滴答”战略,“煎蛋龙”领先老大哥至少3代,那节能效率上的数据还要掏计算器么?话说回来,就算现在移动处理器是高频高核数,屏幕是高分高密度:

请问,革命性的量产电池在哪儿?

 

 

 

研究人员使用X光观察试验电池的工作状态

电动汽车,好东西。用老祖宗的话说,静若处子,动若脱兔。实话说P85D百公里3.2s的性能,含税预估不到110万的价格,要说特斯拉不厚道那是真违心。再加上零排放的环保光环加持,旗舰级互联网大佬们的站台,为何市场还是无法啵儿起?车云菌从不拐弯抹角,一向简明扼要:电池太贵,充电太频!

10年过往,太多的“专利技术”放话要颠覆电池行业,继而前赴后继的不知所踪。就算是当年技术+资金都不是事儿的A123,股价也在3年之内从25美金跌至37美分,无奈之下作价卖给了鲁冠球。

接下来是一个意味深长的故事。

2012年2月,华盛顿DC,一场新能源学术会议,盖茨和克林顿的大名吸引了慕名而来的大批行研,投资人和企业家,还有大名鼎鼎的ARPA-E,美国高端能源项目研究署。署长Arun Majumdar在现场友好而热烈的气氛中宣布了其任上第一个落地的大项目:创业公司Envia研发的双倍能量密度新电芯。Arun表示一次充电可从华盛顿直接开到纽约的汽车电池成本可从3万美金降至1.5万,围观群众反响热烈,纷纷表示都将购买棒呆的电动车。

很快,Envia获得通用汽车(GM)的青睐,双方签署合作计划,后者出资支持其研究,计划让这种新电芯在自家电动车上大放异彩。记者Steve LeVine在他的著作《The Powerhouse》中这样评价:这笔交易给Envia带来数以亿计的潜在业务。但好景不长,GM的电池专家发现自己无法重现Envia的实验结果,Envia的革命性电池产品就此Duang掉。

锂离子电池,上世纪70年代末发明,90年代大规模商业化。这种电池依靠锂离子在正负极之间移动来产生电流,轻便高效,便携式电子产品因此大规模转型;但电动车上搭载锂离子电池却是近几年的事。同在90年代,GM的电动车EV-1使用的是老掉牙的铅酸电池,600公斤的电池充满后却只提供80到150公里的续航。2008年特斯拉在自家第一款产品中引入了锂离子电池,提供400公里的续航能力(几乎3倍于当年的EV-1),然而整车售价达到了10万美金,这货到底贵在哪儿?用脚趾头都想得通。话虽如此,那屌丝们怎么办?日产和GM使用了小电池组的产品自然要廉价很多,当然续航里程也同时大打折扣咯,几乎都没能超过160公里。无语,依然10年前的水准。

电池这么个小玩意儿,技术难度到底在哪儿?

但别看它不起眼,如果要动它哪怕一分一毫,假设只是一个电极换成新材料,没有经年累月的测试,也没人敢打包票。

LeVine在他的书中描述了当年Envia的窘境。2006年Envia从阿贡国家实验室弄到一种牛X的新材料,热乎劲儿还没过,问题出现了,掏腰包的大佬们称之为“毁灭因子”:时间一长,新电池的电压就变得极不稳定——废了。阿贡实验室的技术人员日夜攻关也没能给出个像样的说法,实际上这几位砖家对新材料的物理和化学特性还不够了解,这种情况下盲目入手显然也是醉了。

Envia显然不打算放弃,基于硅材料加工的电极又被开发出来,但这次他们又遇到问题:新电极不太结实,眨眼间四分五裂。这次砖家们为了保住饭碗,星夜兼程总算是解决了问题,然而……解决方案实在是过于复杂,根本不可能在量产中实施。

时间快进到2012年,Envia公司信心满满的参与了华盛顿的那场大会,因为他们完美解决了之前两种材料的问题:新的硅电极加工起来很便宜,而来自阿贡实验室的牛X材料被一种新的涂层包裹,稳定了电池的输出。“Envia终于明白问题是出在了涂层上,”LeVine在书中说道,“但他们一直没有确定涂层的组分,也不清楚为什么涂层能够解决问题。”但Envia只是一家创业公司,限于资金压力,他们没有设备来搞清楚这一点。之后大家都知道了,GM提出Envia的实验结果无法复现,那么涂层问题再次成为关键:材料组分上的细微变化足以造成性能上的天差地别。戏剧性的是,Envia振奋人心的材料突破,其实得益于不靠谱的供应商导致的原料污染。都说失败是成功他老娘,话糙理不糙,可成功总觉着自己是孤儿,这事儿就变得不那么励志了。

相比Envia,特斯拉和松下公司在电池上的革新显得靠谱很多。自2008年至今,Tesla的电池组成本砍掉近一半,而储能效率惊人的提升了近60%。特斯拉聪明就聪明在自己不玩化学的玩意儿,而是在工程学和生产工艺上动脑筋,电池材料上的改进则依赖于松下,老话说得好,闻道有先后,术业有专攻,如是而已。

特斯拉Model S电池组

据此,特斯拉放话说2017年将会上市Model 3,续航超320公里,售价却“低至”3.5万美金;当然,预期销量也从目前的每年几万台上调到数十万台。目前全球每年汽车销量约六千万台,如果一大半是电动汽车的话,恐怕光靠男神Musk的颜值不足以解决问题——电池性能还需努力。毕竟轻松续航600公里的汽油车妥妥鄙视320公里的纯电小兄弟,而且10万人民币的汽油车也算有里有面儿,22万(3.5万美金)的电动车要说人手一辆,就算美帝群众也得掂量掂量吧。

那么问题来了,电池性能如何进一步提升?特斯拉的保守治疗方案能一直起作用么?窃以为Envia的大跃进也不见得完全不可取,只是做科研容不得半点马虎,再加上专业的工程和制造团队,则革命成功也许指日可待。近期的电池领域研究显示,材料组分对电池性能的影响已经被量化,这意味着寻找电压和储能的极限不再是痴人说梦。

Andy Chu,破产于2012年的A123前高管,说了这番意味深长的话:“为何电池行业的玩家都是大佬?说白了电池这货复杂度超出你想象。我个人希望创业公司能在这个领域干出一番事业,但纵观行业古今,小玩家的前景恐怕不容乐观。”

 

 

 

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