新能源动力电池的创新竞赛到哪一步了？

    很难想象如果生活中没有了电池会是什么样子。且不说满大街送外卖的快递小哥要急红了眼，大多数已经患上“电子产品重度依赖晚癌”的现代人显然无法适应没有了爱疯、PSP的日子；放眼望去，满大街溜溜跑的纯电动汽车失去了用武之地，由一块小小的电池建构起的现代生活似乎瞬间分崩离析...

    只要经常各地飞的朋友们不难发现，机场里除了咖啡馆和各种餐馆常常人满为患，大家候机时最喜欢待得地方，莫过于各个登机口旁边放置的充电柱，因为现在无论哪个牌子的智能手机，如果连续使用，续航都超不过6~8个小时；而面对市场上众多品牌的电动车型，单次充电续航里程的多少，也成了消费者购买电动汽车的主要衡量标准，甚至“里程焦虑”（Range Anxiety）这样的词汇也应运而生。

    原地踏步？

    像电池这种在现代生活中扮演着重要角色的储能产品，却迟迟跟不上前沿科技快速前进的脚步，而赤裸裸的现实只会令人更加郁闷，特别是硅谷很多创业家对电池技术的发展缺乏类似“摩尔定律（Moore's Law）”这样的理论支撑而深感惋惜。

    “摩尔定律”是由英特尔联合创始人戈登·摩尔于1965年提出的，他预测“计算机芯片每18个月性能都会翻倍，但成本却在逐渐降低”。对英特尔这样的芯片商而言，摩尔定律的出现反倒成了刺激其技术突破的外部力量，所以电池产业亟待一场能够带来翻天覆地变化的革命力量。

    诚然，我们日常使用的电池已经在性能上有了大幅提升，但是相比摩尔定律描述的芯片技术的革新速度，仍相差万里。目前大多数移动电子设备和电动汽车都靠锂电池功能，而正是索尼在20世纪90年代将其实现了商业化生产。在过去的几年里，锂电池的重量越来越轻，但容量和性能却与日俱增，像苹果MacBook Air使用的大尺寸锂电池，在正常工作模式下，可实现12小时的超长待机。

    美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），电化学技术小组负责人Vincent Battaglia认为“锂电池是一种近乎理想的电池”。因为锂是地球上重量最轻的金属，相比铅、锌和镍镉这些比重更大的替代品，它携带电子的能力更胜一筹。此外，锂电池不会出现镍镉电池的“记忆效应”，所以你完全不必等电量耗尽，随充随用也不用担心会对电池造成伤害。

    但现在的焦点其实在锂电池自身的相对短板上。锂的过于活泼导致安全性问题，能量密度偏低，储电成本偏高等。

    尽管目前很多科研人员都在努力尝试，但大家面临的主要问题在于如何将理想化的实验成果转化为可大批量生产的、日常生活能够使用的电池产品。由于在电极材料的选择和制造工艺上，并无大幅改观，因此不少科学家对锂电池能量密度是否能在现有水平上得到进一步提升，仍持保留意见。

    锂电池电极、电解质的各种创新

    目前Battaglia博士领导的实验小组正在研究一种名为“过渡金属”（transition metals）的材料。这是一种由金属锰、镍、钴和石墨组成的混合物，可用来充当锂电池的电极。Battaglia表示只要找到上述四种金属的最佳配比，就能够有效提高原有锂电池的能量密度。相比开发一款全新电池产品所耗费的精力和财力，这种“借力”的方式实在是有够机智！

    其他机构的研究人员则探索了多种提高电池能量密度的方式。来自美国斯坦福大学的崔毅和他的同事们正在开发一种薄膜，它的厚度只有原子大小，可用来包裹电池阳极。据悉，经过薄膜包裹处理后的阳极能够承载锂离子的数量大幅增加，同时搭配用硫制成的阴极（硫，和金属锂类似，有着很高的能量密度），其存储的电能总量约为同质量锂电池的5倍。

    无独有偶，美国橡树岭国家实验室的梁诚度（音译）及其研究团队有着类似的实验成果。他们正在开发的一款锂硫电池并没有采用传统液态或胶状的电解质，而是“剑走偏锋”的使用了固态电解质，这使得电池本身会变得更加稳定，即使能量密度大幅提升也不用担心出现过热起火的事故。不过遗憾的是，即便这些电池目前已经具备了商业化的条件，但在正式推向市场之前，还有着很长的一段路要走。

美国橡树岭国家实验室开发的锂硫电池

    其实，一些体积非常小的固态电池在小型装置和传感器上并不陌生，它们经常被用作微型芯片的备用电源。不过这种固态电池的生产方式和传统锂电池大为不同，和半导体的制作工艺颇为相似，即将电池材料通过“印刷”的方式置于底层基板上。

    尽管这种固态电池的能量密度极高，但如若生产用于手机和电动汽车使用的大型产品，成本造价则太过昂贵。为此，已经有很多公司在积极尝试改变这一现状。Sakti3作为密歇根州本土的一家电池供应商，目标是将“锂-*电池”每千瓦时的储能费用降至100美元左右，而英国知名吸尘器制造商戴森近日则为这家公司注资1500万美金，用于支撑该研究项目的进行。此外，德国大众集团数月前曾购入一家位于硅谷、致力于固态电池研究的初创公司——QuantumScape的5%股权。

    从理论上来看，锂空气电池的能量密度最高，而空气的使用则会大幅降低该电池的重量。尽管研究人员数年一直在尝试制作类似的锂电池，但目前还只是停留在试验阶段，尚无任何可投入商用的重大成果推出。

    工业、家居储能电池的发展

    当然，在某些特定情况下，电池重量并不是什么问题，而此时金属“锂”也面临着大波的竞争对手。目前，很多公司都在研发可存储电网过剩电能的巨型电池，这对仍处于阶段性发展的可再生能源市场会产生不同程度的冲击。随着工业现代化时代的到来，很多电力公司在用电高峰期表现出了“力不从心、疲于应对”的状态，如果某些用电需求不高的地区能够将冗余电量随时存储起来，那么整个电网系统的负荷也将得到有效平衡，可谓物美价廉的解决方案。

    但目前仅有不到0.01%的过剩电能被存储了起来，而任何一家商业电力公司都有在发电之初或输送过程中储存电能的能力。EOS能源存储公司副总裁（参配、图片、询价） Philippe Bouchard表示纽约和加州的电力公司已经在使用其公司推出的类似大型集装箱的锌离子电池用于冗余电量的储存，该电池造价仅160美元/千瓦时，对电网级别的储能产品而言，有着无可比拟的成本竞争优势。

    其他像美国通用电气、韩国LG，日本NEC，德国戴姆勒，特斯拉以及初创公司Aquion Energy都已经陆续进入了大型储能电池这片行业蓝海，而崛起于卡内基梅隆大学的Aquion Energy甚至得到了前微软联合创始人比尔·盖茨等一众大佬的资金支持。

    这样的电池产品其实完全可以在家用以及商用领域进行“大肆”推广。设想一下，电池系统能够在用电波谷期将电网冗余电能储存起来，既保证了用电高峰期电网系统的稳定，同时还能大幅节省用电支出。而可再生的太阳能和风能转化为电能后，完全可以在电网负荷较重时“回输”，以换取电费折扣。如此一来，一些小型商户和家庭完全可以体验“脱网”时代的生活了。

    那么能够用于家庭的小型电能存储系统除锂离子、锌离子电池之外，还有没有其他选择呢？这里要谈谈大家可能并不太熟悉的液流电池（flow battery）。

    液流电池通常包含两个容器，其中贮存有液体化学溶剂，形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分，为发电区，以薄膜相隔。这两种化学溶剂，流动到发电区，隔着薄膜，产生离子交换，透过这种方式来进行充放电。

    从理论上来讲，液流电池的能量密度取决于存放电解液容器的大小，因此将其制成固定式家用产品并没有太大困难。哈佛大学教授Michael Aziz带领的研究团队一直在进行可接入电网的工业级液流电池产品的开发，但近日其表示有望推出一款安全、价格低廉、约莫电暖气大小、可放在地下室使用的家用产品。

    目前多数液流电池产品控制电解液进出的节流泵仍由贵金属制成，这使得其造价一直居高不下。但来自哈佛大学的团队表示之所以他们开发的系统有着巨大的商业化潜力，是因为整个液流电池系统使用了一种通过自然形成的有机材料“醌类”代替常规金属泵，它和动植物体内的储能分子有着相似的功能和性质，可大幅降低液流电池的制造成本。不过，据Aziz教授称，为了提高电池性能，他们使用了溴这种毒性很大的材料充当电极，但整个团队有信心未来找到可用于制作电极的有机材料。

    由此来看，属于液流电池的时代仍未到来。而在此之前，如果锂电池的造价能够再低一些，它完全是替代那些写字楼里笨重但相对便宜的蓄电池的不二之选，毕竟轻量化、紧凑的设计，以及理想的能量密度，具有非常吸引人的竞争优势。

    这不正是“钢铁侠”伊隆·马斯克所畅想的锂电池的光明前景吗？作为一家只生产纯电动汽车的“非主流”车企，特斯拉将投资50亿美金联合松下集团在内华达州共建一座超级电池工厂。正式投产预计明年开始，按照特斯拉官方公布的计划，截止到2020年，超级电池工厂的产能将能够满足50万辆车子的正常交付需求。

    在面对锂电池的技术革新问题上，似乎特斯拉并没有斥巨资进行高容量密度产品的研究。马斯克认为技术的稳步提升以及生产的高效进行都能够使锂电池成本下降约30%，同时也有助于特斯拉销售更多的电动车型。当然，超级电池工厂的一部分产品也将用作家庭以及工商业级别的储能设备使用。4月底，特斯拉公布了酝酿已久的能源计划，同时第一款针对家庭使用、容量为10千瓦时的固定式家用电池Powerwall已经开放预订，售价为3500美金（不包括控制系统以及整体安装费用）。

    尽管目前锂电池技术并未实现任何创新性的突破，且面临其他种类电池的冲击，但从20世纪90年代第一块索尼电池的推出，到今天智能手机、笔记本电脑的普及，锂电池应用范围的扩张趋势不可阻挡。目前我们所期待的，正是锂电池在实验室中的创新突破，何时能够走上工业化的道路上来。<