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  • 固态电池:能像口香糖一样随意弯折
    第一财经日报2015-03-31 14:53
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      杨海艳

      本月中旬,真空吸尘器的发明者、英国戴森公司(Dyson)创始人詹姆斯·戴森将其首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司Sakti3,后者是一家成立于2007年的电池创业公司。

      据戴森表示,Sakti3目前研发出的固态电池将拥有1100WH/L的能量密度。不仅是戴森,在过去的几年里,这家名为Sakti3的公司还收到过来自通用等多家企业的投资。

      液态电池续航遇瓶颈

      从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今,液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一,但在詹姆斯·戴森看来,“如今的电池技术已经遇到一定的瓶颈”。

      比如还没上市的AppleWatch就被吐槽。12.8万元的“土豪”价背后,被大众认为最应提升的电池续航并没有大幅突破,仅有18个小时。“这价格这续航,只能说买的就是情怀……”网友如是表示,“用买辆车的价格去买块表,醉了,而且每天都要充电哦。”

      其实,不仅是可穿戴设备,包括智能家居,以及此前风靡一时的新能源车新秀特斯拉(Tesla),都正因电池续航的瓶颈而遭受质疑。近两三年来,从硅谷走出来的车坛新秀Tesla可谓出尽风头。时尚大气的外形设计、科技感十足的内饰,而其不烧油、零排放的优势更被认作为未来汽车行业的出路之一。但短短一年多时间,特斯拉已经从人人膜拜的神坛上走了下来。虽说其外形够拉风,环保概念也够时尚,但即便续航里程达到了无车能及的500KM,电池电量一旦耗尽,也还真是寸步难行。可是,Tesla创始人及CEO马斯克也很无辜,电池续航里程不足是业界都无法解决的首要难题,再说在所有的新能源车中,特斯拉在续航里程上已经是冠军了。

      或许,如今阻碍电子产业发展的最重要的问题之一,不是产品本身技术,而是电池续航里程的提升。那么,为什么不能让液态锂电池的续航里程更长?

      国内某新能源生产企业的技术人员告诉《第一财经日报》记者,电池续航里程的长短在很大程度上取决于电池储能能力即单位体积的能量密度。要提高电池的单位能量密度,一是提高工作电压,二是提高电极材料的能量密度。当工作电压只能在固定区域内,要提升电池能量密度,只能依靠对电极材料的能量密度提升。也就是说,锂电池的发展遵循“一代材料,一代电池”的规律。现有锂电池正极材料一般有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等,而负极材料一般为石墨、硬/软碳、钛酸锂以及合金负极材料,这些材料的可挖掘空间已经并不大。

      也就是说,要大幅提升锂电池的续航里程,除非在电极材料上能找到新的替代品。

      固态电池的创新可能

      不过,既然液态锂电池的能量密度暂未能获得大幅提升,那么,有别的更具优势的电池技术可以替代它吗?

      据彭博社报道称,大众汽车CEO马丁·文德恩(MartinWinterkorn)日前就在斯图加特举行的一个新闻发布会上表示,大众汽车计划在今年上半年作出决定,是否将美国初创企业QuantumScape正在开发的新电池技术用于大众的电动汽车上。

      如果采用上述固态电池技术,大众电动汽车的续航里程将达到700公里,超过特斯拉ModelS以及现有的所有新能源汽车。或许正因如此,早在2014年12月,大众汽车公司收购了上述QuantumScape公司约5%的股权。

      其实,不只是大众。早在2010年,丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。

      传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员,在摇椅的两端来回奔跑,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程便完成了。固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。因此,同样的电量,固态电池体积将变得更小。不仅如此,固态电池中由于没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。

      据其官方称,Sakti3已制造出能量密度达1100瓦时/升的电池,这一能量密度几乎是目前锂离子电池的2倍。美国佛罗里达大学的电池专家、材料科学教授凯文·琼斯(KevinJones)认为:如果电池蓄电量能像Sakti3提出的那样多,那么电动汽车的购买和使用成本就有可能与普通汽车相同。

      而且固态电池还有另一项优势——在事故中损坏时不易爆炸或起火。要知道的是,在此之前,在新能源汽车领域与特斯拉同样享有盛名的菲斯科,后来之所以会破产并慢慢销声匿迹,在很大程度上就是因为其频繁出现的电池起火事件以及其他故障。

      此前,台湾辉能科技公司(ProLogium)就曾推出一款采用软性电路板为基材的固态电池,其厚度可以达到惊人的2mm,相当于一小片口香糖的厚度,可以随意折叠弯曲,展开弄平整再进行使用。这么一块看似不起眼的电池,其容量可以达到1000毫安,而一个iPhone般大小的充电宝,其容量也就在5000毫安左右。

      如果固态电池能够得到商业化应用,大众可以造出在续航上超越特斯拉的电动车,可穿戴电子设备也能够摆脱电池技术的束缚,其外观和形状都可以起到惊人的变化。

      商业化路途漫漫

      加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂电池,最终2006年正式申请破产。Avestor公司使用一种高分子聚合物分离器,代替电池中的液体电解质,但一直没有解决安全问题,在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。

      Sakti3公司的联合创始人兼CEOAnnMarieSastry对外表示,Sakti3公司的固态电池采用薄膜沉积技术进行生产,这一技术也常用于平板显示器和光伏太阳能电池的生产,“将电池劈成两半或者把电池放在高温环境里,但电池仍能继续工作”,在她看来,Sakti3生产的固态电池在安全上已经完全可以放心。

      “开发新技术不会是一个无阻碍的路径。我需要一个水晶球才能预测在开发过程中遇到的所有挑战。英国人有句话叫‘stickyourneckontheline’,就是硬着头皮去尝试一些新的和不同的东西。如果成功就太好了,但如果失败,你已经在过程中学习,可以再继续直到成功。”詹姆斯·戴森如此对《第一财经日报》记者评说他在这次投资中可能会遇到的风险。

      此前,丰田曾经表示,希望到2020年,能在新能源车上应用固态电池技术。但丰田并没有将这一技术作为未来新能源的唯一出路,就在此前不久,它对外发布了首款量产的氢燃料电池汽车。

      “固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也许不是最好的。”上述新能源生产企业的技术人员告诉记者,“包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池在理念上都有较大的发展空间,而最终,要看哪种路线发展更快、更接地气。”所谓接地气,就是在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡点。首先,使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次,要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。

      或许,现在最具考验的地方在于价格。据记者了解,液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。

      Sastry表示,固态电池生产成本居高不下的一个重要原因在于生产效率低下。按照Sastry的规划,Sakti3最终将会把电池的成本降低至100美元/千瓦时,不过,她并没有给出最终的时间。

      从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为,即便Sakti3最终能做到成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池,在上世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。插图/吕知晓

    稿源: 第一财经日报)
    作者: 杨海艳 )
    编辑: 姜萱
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