電池將拯救世界

減少化石燃料消耗，應對環(huán)境災難和全球氣候變化，交通運輸部門還在探索簡單易行的戰(zhàn)略路線?，F(xiàn)在看來，開發(fā)先進的蓄電池、發(fā)展混合動力和純電動交通工具尤其汽車，是明顯逐漸被認可的選擇。12月13日，湯姆•帕雷特(Tom Parrett)發(fā)表在美國《新聞周刊》上的文章[1]，說先進的電池能拯救世界，強調其重要性;但文章結尾處“有助于拯救地球”的說法更加帖切。其實，中國在這方面已處在世界前沿。

未來電池能與汽油的存儲能力競爭嗎?

三年前，科學記者福哈德•曼約奧(Farhad Manjoo)給美國網(wǎng)絡雜志Slate寫了篇文章[2]，稱“更好的電池將拯救世界”，然而副標題卻“反駁”大標題說“太糟糕了,不可能做到”。盡管當時汽車領域剛剛推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛蘭Volt，并發(fā)布了大量新型混合動力和純電動汽車，從箱型經(jīng)濟車到兩款豪華的混合型保時捷。

曼約奧和其他人預見的問題是多方面的：(1)汽車電池非常昂貴;(2)“能源密度”(單位重量含能源的數(shù)量)似乎比汽油還相差甚遠;(3)也許有危險——電池的新興關鍵材料鋰本身不穩(wěn)定，在空氣中化為粉末。一個問題是潮濕可能發(fā)生爆炸。另一個問題是這種材料被“隔絕”，有可能發(fā)生“熱擊穿”——快速加熱直至著火。所以，重要的是鋰要保持冷卻和干燥。

但最后這個警告恰好是鋰為何成為有吸引力電池材料的原因：其危險的能源是巨大優(yōu)勢。因此，電池技術方面有個寂靜的鋰“沖刺”，一直并繼續(xù)在真正地進步。近幾年由于電池的進步，化石燃料汽車成為“審美”選擇，不是經(jīng)濟的必要。我們的城市電網(wǎng)將變得更復雜，也更可預測、可靠和經(jīng)濟。

電池沖擊

汽車電池從鉛酸轉向鋰電池，鎳鎘手電筒轉向手持鋰離子設計，電池變得更加高效。沒有鋰離子電池，幾乎一定不會有現(xiàn)在的“手機社會”。但走近大型設備如交通工具和電站之類能夠拯救我們能源消費生命的場所，到處充斥著曾經(jīng)選定的優(yōu)勝者如A123系統(tǒng)及其贊助商、菲斯卡爾業(yè)力(Fiskar Karma)汽車、莫里能源、Avestor、曾經(jīng)給通用車隊提供動力的Envia，全都虧損數(shù)百萬并且勉強逃離起跑柵門[3]。

如果說有人理解電池革命面臨的挑戰(zhàn)的話，那正是此人在上個世紀70年代末為?？松?Exxon)石油公司發(fā)明鋰離子電池拉開了應戰(zhàn)的帷幕。正是史丹尼•惠廷厄姆(M.Stanley Whittingham)[4]，現(xiàn)在紐約州北部賓漢噸大學的化學教授曾預言，“10年內，每輛車都會是混合動力或電動車。”

他認為有許多理由可持樂觀態(tài)度。舉例說，大量資源正投入制造更好電池的技術挑戰(zhàn)，從剛起步的小型電腦公司和?？茖W院到供應充足的大學如哈佛和斯坦福的實驗室，還有美國主要的國家實驗室，包括阿貢、勞倫斯利弗莫爾和圣地亞，以及德國、荷蘭、法國、日本、韓國和中國大公司的實驗室。

還有清晰而迫切降低人類發(fā)射溫室氣體的需要。取代化石燃料能源，電池將發(fā)揮很大作用。消費者顯然需要可再生能源：例如電動和混合動力汽車銷售正在強勁增長。

更好的電池提供兩個大獎項：首先是負擔得起的電動汽車，它是我們未來“移動社會”的支柱;其次是更靈活、分散的電力網(wǎng)，因為先進的固定式電池將以更低的價格保持我們家庭和工廠的電力供應。

結束“里程”焦慮

最初提議的電動和混合動力汽車是適度的，每次充電驅動里程在40-100英里(高價的特斯拉公司的電動汽車額定265英里除外)，而且只在理想的條件下。然而，不久之后的第二代就能達到200英里。韓國大公司樂金化學(LGChem)給雪佛萊Volt和福特Focus供應電池組，據(jù)報道其更新的鋰離子設計將于2016年使這些汽車的驅動里程達到200英里。特斯拉電動汽車公司主席和主要股東伊隆•馬斯克(Elon Musk)說，今年8月他的公司就在致力于新電池，要把公司汽車的驅動里程提升到500英里。

與此同時，電池的成本在下降。研究公司法維翰(Navigant)指出，五年前筆記本電腦電池的價格約為每千瓦時1000美元，現(xiàn)今“價格接近每千瓦時250美元”。2012年7月麥肯錫咨詢公司(McKinsey&Company)報道說[5]，到2025年汽車用先進鋰離子電池的價格將會從2011年的每千瓦時500美元降到每千瓦時160美元。法維翰公司說，到2020年電池的交易額將從今天的120億美元上升到750億美元。

不久的將來，電池汽車將在成本上與汽油動力汽車競爭。馬斯克曾說，電池動力的“圣杯”是每公里-時100美元，他預料在“五到七年”內實現(xiàn)。特斯拉公司正與日本松下公司共同努力在內華達州斯伯克斯建造50億美元的“電池工廠”，制造先進電池，規(guī)模上有利可圖。預計每年生產(chǎn)50萬臺電池組，使全世界鋰離子電池產(chǎn)量翻番。

強大的比亞迪秦

電池有三個基本部件：兩個電極，陽極(帶負電荷)和陰極(帶正電荷)，以及中間的電解液(或俗稱電池液)。發(fā)生的是化學反應，閉合電池回路(也就是接通燈開關)，電子從陽極流出，通過電解液流入陰極，流過燈泡做功。離子流的方向相反。最終結果是中性狀態(tài)，電池或者被廢棄，或者再充電。

現(xiàn)在大多數(shù)汽車電池可再充電，而且用某種形態(tài)的鋰作為一個電極，鈷或碳作為另一個電極，氧化鋁作為電解液。但研究人員渴望下一件“大事”是探索在電池技術上取得“從爬行到?jīng)_刺”的進展。某些重大進步展示出成功的希望，能源密度約為鋰離子的三到五倍，按照理論上鉑金標準，作為汽車的燃料甚至超過汽油。

最大膽的概念是鋰-空氣，擺脫傳統(tǒng)金屬作為陰極，用碳取而代之，徹底改造電池，抽取空氣中的氧原子代替電解液中的氧化物。麻省理工學院(MIT)的一個團隊提出納米絲構成的陰極[6]。這是一種非常微小、用單個原子建成的結構，實際上是由基因變異病毒制造的。這是個非常棘手的材料，實驗室設計證實比典型的鋰離子電池容量高兩倍，而且再充電更快。

隨著電池化學的進展，類似這樣的新材料將成為關鍵。石墨烯即超薄(只有原子寬度那么厚)的單層碳，最初由兩個俄羅斯科學家2003年在曼徹斯特大學制造(而且為此獲得2010年度諾貝爾物理學獎)并開發(fā)為電極物質。它的堅強、柔韌和傳導性令人驚訝，也能大規(guī)模便宜地制造，網(wǎng)上訂貨每克5美元。在電池內，它能急劇減少充電時間，增大儲能容量。出自西北大學和阿貢國家實驗室，總部在美國密歇根州的XG科學和SciNode系統(tǒng)二者都在致力研究石墨烯電池。據(jù)SciNode說，它的陽極能提供比常規(guī)碳高三倍或更大的儲存容量。據(jù)中國新華社報道，特拉斯公司也可能有個石墨烯項目[7].

石墨烯是碳原子制成的原子比例的蜂窩晶格

另一有希望的變種是鋰-硫設計[8]，用便宜的硫替代高價鈷，而且提供極高的能源密度。伯克萊國家實驗室的科學家曾提出一種設計，使鋰離子電池的能源密度加倍，潛在的成本低到每千瓦時100美元。還需要做更多的研究，但這種方法非常誘人，據(jù)說能挫敗汽油。

此外，鐵-磷酸鹽的設計完全不需要鋰。在中國，汽車制造巨人比亞迪(BYD)汽車公司曾把E6即鐵-磷酸鹽電池供電的出租車投入市場，驅動里程185英里。它基于BYD稱之為Fe(鐵元素符號)的電池。比亞迪“秦”是混合動力車[9]，最大功率輸出223千瓦，比特斯拉S型略低。據(jù)公司測試，10000次充放電循環(huán)后，F(xiàn)e電池仍然保持其容量的70%。那是27年的日常再充電。

深圳比亞迪汽車公司生產(chǎn)的電動出租車

堅持下去，“到天明”

與此同時，我們可能正接近“固定式儲能”的黃金時代。無需移動的電池沒有重量要求，意味著開發(fā)商能用較重、不那么獨特和更便宜的材料。這樣的電池提供后備電源使電網(wǎng)更可靠，而且避開峰值能源成本尖峰，搜集非峰值期可再生的風力發(fā)電機和太陽能電池板能源，因而價格低廉。

這種設計傾向反映對汽車所做的工作，但也有顯著的例外?？偛吭O在匹茲堡的阿奎昂能源(Aquion Energy)公司專門研究微電網(wǎng)、局部完整電源解決方案，包括邊遠地區(qū)太陽能、風能或其他可再生能源發(fā)電。它的先進電池成本大約等同老式鉛酸蓄電池，但持續(xù)時間翻了一番。

在麻省理工學院(MIT)，唐納德•薩杜威(Donald Sadoway)和他的團隊開發(fā)了持續(xù)很長時間的固態(tài)電池[10]。據(jù)他們說，很容易按照比例放大。材料普通而且價廉，但設計是徹底創(chuàng)新的：完全保持液態(tài)，加速電子和離子交換，而且電池自身保持在高溫下，依靠嚴格保溫保持350℉或更高，但仍以75%的效率生產(chǎn)能源，比內燃機高一倍多?？偛吭O在劍橋的AMBRI(原來的液態(tài)金屬電池公司)正在制造這種電池，據(jù)說這種電池將延續(xù)幾十年，性能幾乎沒有下降，即使完全放電，預計10000次循環(huán)容量仍為98%，這是巨大的成功。明年原型機將被發(fā)往四個州做現(xiàn)場測試。

依據(jù)資料與注釋

[1]. Tom Parrett, Batteries That Will Save the Planet, Newsweek, Tech & Science，December 15, 2014
[2]. Farhad Manjoo, Better Batteries Will Save the World, Too Bad They’re Impossible to Make, Slate, JUNE 21, 2011
[3]. 詳見MIT Technology Review, Kevin Bullis, A123’s Technology Just Wasn’t Good Enough, October 18, 2012；Information Week, W. David Gardner, Exploding Batteries Plague AT&T's U-verse, 1/16/2008; Green Car Reports, Antony Ingram, Collapse of Battery Startup Envia: What Really Happened, Dec 20, 2013
[4]. M. Stanley Whittingham: M. Stanley Whittingham (born Michael Stanley Whittingham, 1941) is an American chemist. He is currently a professor of chemistry and director of both the Institute for Materials Research and the Materials Science and Engineering program at Binghamton University. Dr. Whittingham is a key figure in the history of the development of Lithium-ion batteries discovering the concept of intercalation electrodes. Exxon commercialized the first rechargeable lithium-ion battery, which was based on a titanium disulfide cathode and a lithium-aluminum anode. He developed the hydrothermal synthesis technique for making cathode materials, which is now being used commercially for the manufacture of lithium iron phosphate by Phostech / Sud-Chimie in Montreal, Canada. He co-chaired DOE' study of Chemical Energy Storage in 2007, and is now Director of the Northeastern Center for Chemical Energy Storage, a DOE Energy Frontier Research Center. He received the Young Author Award from the Electrochemical Society in 1971, the Battery Research Award in 2004, and was elected a Fellow in 2006 for his contributions to lithium battery science and technology.
[5]. McKinsey & Company, Russell Hensley, John Newman, and Matt Rogers，Battery technology charges ahead, July 2012
[6]. MIT News, David L. Chandler, Better batteries through biology? November 13, 2013
[7]. Graphene-Info.com, Is Tesla developing a graphene-enhanced Li-Ion battery?, Xin-Hua Net, Aug 19, 2014
[8]. Graphene-Info.com, Graphene batteries: introduction and market status, Battery basics, 2014/12/30
[9]. The BYD Qin is a plug-in hybrid compact sedan developed by BYD Auto with an all-electric range of 70 kilometres and a hybrid electric powertrain that can extend the car’s total range to a distance similar to that of a conventional gasoline-powered vehicle. The BYD Qin concept car was unveiled at the 2012 Beijing International Automotive Exhibition, and the car is named after China’s first empire, the Qin Dynasty. The Qin starts at 189,800 rmb (~US$31,000), before any applicable government subsidies and tax exemptions available for eco-friendly vehicles.
The Qin is the successor of the BYD F3DM, the world’s first mass-produced plug-in hybrid automobile, launched in China in 2008. In April 2012, BYD announced that due to its low sales, the F3DM was to be replaced by the Qin. The BYD Qin is the plug-in hybrid version of the BYD Su Rui, launched in the Chinese market in August 2012. Deliveries in China began in mid December 2013. Retail sales of the BYD Qin began in Costa Rica in November 2013, and BYD plans to start sales in other countries in Central and South America in 2014. Cumulative sales in China totaled 13,070 units through November 2014. The Qin ranked as the top selling plug-in electric car in China during the first quarter of 2014.
[10]. The Battery Shom, Hot Stuff from Massachusetts Institute of Technology, Nov 13, 2014