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谷歌坐不住:电池技术突破进展太慢!

电池技术困局如何突破

如果你想要一款加速度体验良好的车,特斯拉Model S绝对能满足你。当然,像这样的电动车不仅能够带来良好的驾驶体验,相比较于传统汽油车,它也不会 对环境造成污染。但是,从电动车诞生至今,它都只是占了很小一部分市场份额。主要的原因是电动车的电池昂贵而且需要经常充电。

智能手机在短短的几年时间发展至几乎人手一部,智能手机把生活和工作中很大一部分功能从PC端迁出,可是电池的续航及充电时间一直是手机生产商重要考虑的技术关键点。

可是,为什么电池性能技术一直以来都不见起色?

鱼和熊掌不能兼得

电池技术为何难以出现革命性突破?主力军锂离子电池到底出了什么问题?

锂的原子序数是3,这意味着它有三个质子,是最轻的碱金属元素,这让它成为已知材料中最适合用来制备可移动电池正极的材料。

当然,除了锂,锂电池中还包括磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料。和更早的镍电池相比,锂电池更小、更轻、能量密度更高,用了不到15年时间就替代镍电池,成为当下主流的电子设备电池技术。

但其也存在不少问题,最主要的是发热。锂电池充电和放电的过程中,在高密度的空间内部会产生大量的热量。

对于智能手机等小型电子设备来说,由于容量限制,发热带来的麻烦还不算大,依靠手机内部的导热设计基本能解决散热问题,但对于特斯拉电动车这种底盘铺满数千块锂电池的大家伙,就必须采取相应的冷却措施。

这就是为什么几乎所有电动汽车或者混合动力汽车的锂电池组上,都附带了体积庞大的液态冷却设备,不过即便如此,某些电动车电池爆炸起火的事故还是时有出现。

锂电池中锂离子的数量是固定的,想要更长久的电池使用时间,就必须增加电池数量,但这又意味着更重的设备、更大的发热量以及更高的过热爆炸可能性。如果想要更安全或者更便携,就必须牺牲电池数量和使用时间。

换掉锂电池

顺着这个思路,研究人员想到的一个突破方向,就是寻找更安全、能量密度更高的材料,换掉锂电池。

空气很可能会成为那个更好的选择之一,不久前,以色列一家科技公司研发出了使用铝和空气作为电极的新型电池,这种电池可以利用空气中水分子与铝产生化学反应并放电。

事实上,这种金属-空气的电池技术早在上世纪60年代就已问世,它的原理是以99.9%高纯度的铝为阳极,水分子中的氧为阴极,利用水溶液作为电解质,让铝板摄取氧,完成放电过程。

在整个化学过程中,最终的产物是氢氧化铝,所以这种电池技术看起来更稳定更安全,而且铝-空气电池的能量密度也大大高于等质量的锂电池,理论能量密度能达到8.1千瓦时/千克。目前特斯拉电动车所使用高能锂电池,能量密度也只有约0.3千瓦时/千克。

另一个同样在电池技术领域流行的突破思路是,如果不能换掉锂电池,那就换一种充电方式。

目前最有希望被普及的另类充电方式,是无线供电技术。请注意,这里所说的不是早些年手机厂商们推出的带着托盘的无线充电手机,而是效率更高的无线供电技术。

如 果从原理上看,无线充电和无线供电其实没有太大的差别,两者都是利用电磁感应、共振或耦合原理。它最早源自19世纪90年代交流电之父尼古拉·特斯拉的设 想,他提出可以利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷,线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振,从而实现电能的高效传输。

形象一点的说法,就和高音歌唱家有可能把某个相同振动频率的玻璃杯唱爆是一个道理,只不过电磁感应和共振不至于把电子设备震爆。

与无线充电相比,无线供电的优势在于突破了距离上的限制。美国一家公司正在做的传输器解决方案,最远的电能传输距离已经可以达到10米。

尽管和动辄数百米的无线网络相比,无线供电的传输距离还有些短,但至少在技术层面,实现无线供电,就已经算是走出了第一步。

更大的难题

那么,为什么人们还没有在机场、酒店或者咖啡店看到类似无线网络的无线电源热点?

事实上,无线供电普及的最大障碍,并不是传输距离还不够长等技术难题,而是市场上各种电子设备的无线供电标准兼容难题,这已经超出了科研人员所能控制的范畴。

就像高音歌唱家的例子,如果各个杯子的振动频率都不一样,想要所有的杯子都能被唱爆是不可能的。

不过,2008年国际上多家行业内的公司和协会,已经成立了无线电力传输国际标准联盟,致力于统一无线供电的技术标准,联盟的一位中国公司成员说,出台一个类似于WiFi的统一标准时间应该不会太遥远。

相比而言,替换掉锂电池的新型电池技术方案就要艰难得多。最有希望的金属-空气电池技术至今仍有很多实际的问题需要解决,比如使用过程中,需要定期往电池组里加水,而且它是不可充电电池,铝板完全氧化反应成氢氧化铝后,就必须重新更换铝板。

这无疑会加大成本,阻碍金属-空气电池技术投入使用,不过好消息是研究人员正在努力延长铝板氧化反应时间、降低铝板回收利用成本,争取尽早将这项技术商业化。

美国凯特琳大学莫特工程科学中心研究员凯文认为,即便在技术层面已经达到商业化要求,将它们制成适合各类电子设备的成品大规模应用,又会是另外一个漫长的等待过程。如果没有特殊的爆发诱因,至少最近5年,人们很难看到真正成熟的革命性电池技术。

电池技术无法商业化

在 过去的数年中,有无数的电池技术研究取得突破性的进展,但是这些当中,鲜少能够被商业所使用,兑现低成本和多容量的承诺。比如成立于2001年的锂离子电 池初创公司A123 Systems,曾宣称,能将锂离子电池的磷酸锂铁正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒,因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的放电 功率,而且,整体稳定度和循环寿命皆未受影响。但最终于2012年以失败告终。原因是,不能够量产它所描述的那些锂电池,也不能安全有效地转换电量。

2012 年,位于美国加州的电池公司Envia Systems在华盛顿重大的会议上宣称,研发出能量密集型电池,单位重量的锂电池储存能量是目前电池的两倍,而 且成本降低一半。通用汽车一听说能研发如此高能电池的Envia,马上向其投资了700万美元,希望在电动车业务上进行合作。到了2013年,Envia 都没有兑现它所宣称的“惊人效果”,导致失去资助资金以及通用汽车公司的合作伙伴关系。另外,这家公司也受到美国高级能源研究计划署ARPA-E的重视。 只能说,Envia令人印象深刻的电池让人兴奋也让人落空。

大公司的小进步

事实上,在电池行业中,由于电池技术的高门槛,初创公司难以单独存活。因此,电池行业一般都是由大公司主导。 A123 Systems前高管Andy Chu说:

能量存储是一个“大头”玩的游戏,因为在研发电池中稍有不慎将会铸成错误。虽然我希望电池初创公司最终会取得成功,但通过这几年的历史,(大家都可以看见,这些公司的)下场都不太好。

在过去的十年里,我们见证了电池行业“突破性”的进展,但是这些都是来自大公司的一些稳定小进步。

  • Envia的电池是一种新型的锂离子电池,发明于70年代末80年代初,商业运用于90年代。它们变成一种便携式电池,被人们用于电动车上。
  • 早在90年代,通用汽车在其电动车EV-1上使用廉价的铅酸蓄电池,不仅车辆行驶的里程数较少,车上的铅酸蓄电池也十分笨重。
  • 到了2008年,特斯拉引进锂离子电池的电动车,虽然里程数比EV-1多了,但是价格昂贵。于是,有汽车制造商如日产汽车和通用汽车为了降低价格,打造出里程数少的电动车,其实主要减少电动车的锂离子电池。

为何电池技术就是没有突破?

电池技术知之甚少

如 果改变了电池中的某一部分比如引进一个新电极,所带来的的问题是难以预见的。有些问题甚至需要几年时间才能检测到。当年,为了达到投资者和ARPA-E的 期望,Envia不是融合了一种电极材料而是两种实验性的电极材料进行研发。(其实,Envia还是蛮拼的,只不过,事情的结果就这样罢了)在 2006年,Envia授权阿贡国家实验室ANL的研究人员研发一种很有前景的电池材料,但是,一个严重的问题出现了:随着时间的推移,电池的电压改变 后,它就无法使用了。尽管ANL的研究人员深入研究这个问题,但原因仍无法无法得知。除了这个,Envia还面临一个挑战:基于硅的电池电极问题。研究人 员看似解决了这个问题:提出一套无法在实际中操作的解决方案。这让Envia的研究人员们感到十分奔溃。

但是随着时间的推 移,以上这些大大小小的问题都差不多解决的时候,Envia发现,电池中复合材料的微小变化都会改变整个电池的性能。当然,Envia认为最终不能实现惊 人效果的结果,是因为他们的电池材料供应商中有某些污染材料。当然,这个污染来自哪里是什么,似乎也没有人知道。

电池的进展不一定来自技术

其 实,Envia的故事很鲜明告诉大家,电池的进展包括性能与成本,不是来自突破性技术,而是来自像特斯拉与其电池供应商松下的密切合作关系。自从08年以 来,特斯拉的电池成本降低一半,电容量增加60%。特斯拉并没有刻意去改变电池的化学或者材料,而是提高制造效率和改进生产。还与松下一起根据汽车的需求 进行适当的电池优化。

虽然很难想象特斯拉在锂离子电池上进行微调整获得持续性的发展,因为锂离子电池的进步空间并不十分“宽敞”。或许到最 终需要像Envia这样彻底整改,才能获取电池的跨越性进步。不过,至少Envia告诉我们,提高电池性能必须要密切结合制造业和工程技术,要生产实际使 用的产品。

虽然以上内容看似在回顾Envia的历史,但是这也是电池发展的一个缩影。近二十多年来,科技飞速发展。计算机从电子管元件时代 演变成今天的超大规模集成电路,往日笨拙巨大的计算机如今小到能装进我们的口袋中。而电池,更像一个后进生,迟迟不能跟上发展的步伐。或许也正是以上这些 原因造成现在的局面。

 

谷歌已加入研发更好的电池技术的大军

据《华尔街日报》报道,谷歌已加入研发更好的电池技术的大军,帮助进军消费电子和其他硬件领域。消息人士透露,2012年末,由苹果前电池专家拉梅 什·巴德瓦杰(Ramesh Bhardwaj)领衔的一个团队开始测试其他公司开发的电池,评估它们是否适合用在谷歌的设备中。约一年后,该团队开始考虑自己开发电池技术。

谷歌坐不住:电池技术突破进展太慢!

据悉,该团队隶属于Google X实验室,规模很小,只有4名成员。谷歌发言人未就此置评。

最近数年,谷歌介入交通运输、医疗、机器人、通信、设计要求使用高效电池的物理设备等行业。首席执行官拉里·佩奇(Larry Page)2013年曾向分析师表示,移动设备电池续航时间是一“大问题,存在创造更好的新体验的潜力”。

巴德瓦杰向业内高管表示,谷歌有至少20个依赖电池的项目。谷歌研发的无人驾驶汽车依靠电池提供动力;第一代谷歌眼镜受到电池续航时间短的困扰,谷歌希望能提高其电池续航时间;利用纳米粒子诊断疾病的项目依靠电池提供动力的检测设备。

风险投资公司Formation 8硬件策略部门掌门利奥尔·苏珊(Lior Susan)表示,“谷歌希望更多地控制自己的命运以及硬件供应链,它开发无人飞机、汽车和其他硬件产品都要求更好的电池。”

谷 歌加入了苹果、特斯拉和IBM等尝试改进电池技术的大军。迄今为止,它们的努力并没有带来突破性进展。新出现的电池技术可能带来突破,固态薄膜电池通过固 体而非液体传输电流,能缩小电池体积、提高安全性,这类电池可以做成柔性薄膜形式,适用于小型移动设备。但美国劳伦斯伯克利国家实验室研究人员文卡特·斯 里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)说,目前不清楚这类电池能否低成本地大规模生产。

知情人士透露,巴德瓦杰团队在改进现有锂 离子电池和先进的固态电池,使它们适用于消费电子设备,例如谷歌眼镜和能检测血糖的隐形眼镜。在2月份的一次会议上,巴德瓦杰阐述了在智能手机,以及更 薄、可弯曲的可穿戴设备,甚至植入人体的设备中使用固态薄膜电池的问题。他说,对于谷歌眼镜等可穿戴设备,先进的电池技术有助于提供能耗较高的功能,例如 视频;对于隐形眼镜,固态薄膜电池更安全,因为它不使用易燃的电解液。

新型电池还有些遥远

那么,未来的电池技术呢?遗憾的是,不论是斯坦福大学主导的锂阳极电池、加州大学河滨分校研究的硅电池、加州大学圣地亚哥分校创建的“电池纹身” (可通过吸收人体汗水充电)、诺基亚与伦敦大学玛丽皇后学院合作的“纳米发电机”(通过吸收环境噪音发电),听上去都过于玄幻,它们最大的问题是能够工 作、但仅能在实验室等极端环境下实现,科学家们尚未找到商用的方法。另外,苹果、谷歌、戴森等消费巨头也积极与电池厂商合作,希望能够获得突破,但短期内 难有巨大进展。

听上去有些悲观,但事实便是如此。锂电池作为一种最成熟、成本低廉、易于生产的电池技术,并不会很快消失;而新型电池技术则需要很长一段时间来解决各种问题,实现高效、稳定、易于封装使用的基本条件,才具备商业化的潜质,也许需要5-10年,甚至更久才会实现。

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