電池技術的發展之路

寂靜天花板 · 發表于 2015-8-17 19:19:12

消費級市場(筆記本、手機、MP3等)作為鋰離子電池(下稱鋰電池)最早的“東家”，為鋰電池的推廣做出了巨大的貢獻。今天，智能手機大行其道，電池再一次成為了制約智能手機發展的關鍵因素之一。這與如今的新能源汽車市場有幾分相似。
對于電池能量密度的描述，一般有質量比能量和體積比能量兩種說法。所謂質量比能量，就是每kg電池所攜帶的能量的多少，比如動力電池市場，多是以質量比能量去描述的。所謂體積比能量，一般指電池單位體積下所承載的能量的數量。目前主流手機電池的容量在2000~3000mAH，這樣的容量的電池，其質量往往只有幾十克，所以在移動消費級市場中，更關心的是電池的比體積能量。

反觀近十年手機電池的發展，大概可以分為三個階段。
第一個階段，鋰離子聚合物電池的興起。
傳統的鋰離子電池使用的是普通液態鋰電解質，但是在2005年以后，聚合物電解質的鋰離子電池開始嶄露頭角。相對于之前的液態鋰離子電池來說，聚合物鋰離子電池除了在電化學特性上更有優勢外，更重要的，是塑型更加靈活，能讓電池做的更薄，體積利用率更高。
第二個階段，手機電池的穩定期。
2010年以前，尤其是2007年以前，鋰離子聚合物電池的興起讓手機電池容量有了長足的提高。但是隨著技術的成熟，電池比能量提高的速度開始減緩。更重要的是，隨著電池能量的加大，安全問題開始浮現在我們眼前。很多廠家開始著眼于提高電池的安全性指標，在電池的外殼防護上下了一些功夫。雖然不能提升電池的能量密度，但是在長期發展來看，還是必要的。因為能量密度增加，出現問題的損失也會越大。
第三個階段，手機電池的第二次能量密度提升。
到2013年以后，手機電池開始有一次的提升了能量密度。這里面有材料的原因，電池廠家通過改善工藝，提高了材料的壓實密度，或通過其他的手段，讓電池的容量有了進步。同時，即iPHONE之后，市場上越來越多的手機電池變得不可拆卸。通過電池和手機的“一體化”，省去了原來電池的硬殼保護，提升了電池的能量密度，或者根據電池結構，開發異型電池等。除此以外，更直接的一種方法，是提高電池的電壓。普遍的，通過將電壓平臺提高0.1V左右，提高電池的能量。這與前一段比亞迪的磷酸鐵錳鋰電池有異曲同工之妙。
目前，主流的手機電池能量密度保持在600Wh/L左右，有些廠家的產品會稍微高一些，比如小米手機，電池能量密度在620Wh/L以上，一款金立手機能量密度達到650Wh/L。使用的哪種手段，還請對號入座。曾有報道說，當能量密度達到700Wh/L的時候，可能使電池的可充分循環壽命小于300次，爆炸的隱患大大增加。

既然提高電壓有如此多的害處，為什么大家還要這么去做呢？這讓我想起了一個故事。以前圓珠筆和鋼筆的筆芯粗細度是一樣的，但是有一個問題，就是圓珠筆書寫2萬字左右，就會出現漏油，主要原因就是筆珠的磨損壽命就在2萬字左右，當所有人都在研究耐磨材料的時候，有個叫田騰山郎的日本人，開發了一款產品，就是讓筆芯的油墨在2萬字之前用完。這與現在的手機電池的研發思路有相似之處。

智能手機，已不再是當年“用到壞”傳統手機，而是像電腦一樣，用一段之后，就需要更新升級。因此可能還沒到電池出現問題的時候，手機已經淘汰了。雖然我個人認為，提高電池電壓平臺，實際上是一個比較冒險的方式，對電池的穩定性和壽命，都有著潛在的影響。但是目前看，適當的提高一點電池的工作電壓，起碼市場對這種做法還是接受的。
新的電池技術雖然是鼓舞人心的，但是任何的新技術，新材料都需要經過相當長的一個轉化過程，才能成為商業的產品，比如鋰電池，最早的鋰電池的概念要追溯到上個世紀的六七十年代，之后液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池也是經歷了十幾年發展，才有了今天的狀態。但是最近幾年智能手機硬件發生了突飛猛進的進步，小小的手機性能，可以與一臺個人電腦相媲美，這樣電池技術有點吃不消了。所以雖然手機續航不一定是國民痛點，但起碼也是短板之一。
很多人關心動力電池和消費級電池的區別。我覺得，從電池的角度來說，是沒有本質的區別的。但是由于產品應用條件不同，所以設計的理念和思路也是不同的，從而導致我們所看到不同領域電池的產品屬性，有很大區別。在消費級電池領域，沒有五花八門的正極材料；而在動力電池領域，也很少談到關于電解質變化對性能的影響。在能量密度方面，比如我們都知道2015年2月16日，科技部發布了《國家重點研發計劃新能源汽車重點專項實施方案(征求意見稿)》,其中明確要求了2015年底轎車動力電池能量密度要達到200Wh/kg。
作為消費級電池來講，早在2013年，其能量密度就超過200Wh/kg的水平了，這不但與優化材料和結構有關，高電壓的做法更是功不可沒。由于消費級電池一般不成組使用，即使成組，也是幾支電池之間的串并聯，與動力電池簡直是數量級的差別；“BMS”直接管理電芯；充放電電流較小；熱管理也相對容易；一般來說，消費級電池質保期也只有1年，所以這種做法是完全可以滿足消費級電池市場的需求的。但是在動力電池市場，可能就行不通了。動力電池的要求，相對要高更加綜合，既有安全性的考慮，又有成本方面的評價，同時還有性能方面的要求。雖然在特斯拉身上，似乎完成了一次消費級電池與新能源汽車的完美結合，但是車的定位和價格，和我們期望中家用級的新能源汽車還是有一定差距的。

磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰……各種正極材料沖擊能量瓶頸的同時，我想是不是應該停下來考慮一下安全和其它的問題。消費市場，動力市場，儲能市場，鋰離子電池是不是能解決所有的問題。任何的電池可能都有他的適用環境。比如燃料電池，無論是作為新能源汽車的動力單元，還是作為市政供電設備來說，其電池特性上都是非常合適的，但是與現有鋰離子電池體系相比，開發小型燃料電池便攜設備可能使比較困難的。在高喊的技術突破的時候，更冷靜的考慮一下鋰離子電池的局限性。因為只有意識到這些局限性，才有可能探索新的電池體系。當然不得不承認，隨著技術的推進，將來發展具有更高能量密度，并且能滿足商業應用需求的新的電池體系，而且要求新體系所使用的材料要求環境友好，成本低廉，材料易獲得，變得越來越困難了。因此，在發展鋰離子電池的同時，我呼吁要對那些已經發現但并未充分商業化的電池體系，投入更多的精力和資源。
無法商業化，為何電池技術就是沒有突破？如果你想要一款加速度體驗良好的車，特斯拉Model S絕對能滿足你。當然，像這樣的電動車不僅能夠帶來良好的駕駛體驗，相比較于傳統汽油車，它也不會對環境造成污染。但是，從電動車誕生至今，它都只是占了很小一部分市場份額。主要的原因是電動車的電池昂貴而且需要經常充電。可是，為什么電池性能一直以來都不見起色？
在過去的數年中，有無數的電池技術研究取得突破性的進展，但是這些當中，鮮少能夠被商業所使用，兌現低成本和多容量的承諾。比如成立于2001年的鋰離子電池初創公司A123 Systems，曾宣稱，能將鋰離子電池的磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級超小顆粒，因顆粒和總表面面積劇增而大幅提電池的放電功率，而且，整體穩定度和循環壽命皆未受影響。但最終于2012年以失敗告終。原因是，不能夠量產它所描述的那些鋰電池，也不能安全有效地轉換電量。

2012年，位于美國加州的電池公司Envia Systems在華盛頓重大的會議上宣稱，研發出能量密集型電池，單位重量的鋰電池儲存能量是目前電池的兩倍，而且成本降低一半。通用汽車一聽說能研發如此高能電池的Envia，馬上向其投資了700萬美元，希望在電動車業務上進行合作。到了2013年，Envia都沒有兌現它所宣稱的“驚人效果”，導致失去資助資金以及通用汽車公司的合作伙伴關系。另外，這家公司也受到美國高級能源研究計劃署ARPA-E的重視。只能說，Envia令人印象深刻的電池讓人興奮也讓人落空。事實上，在電池行業中，由于電池技術的高門檻，初創公司難以單獨存活。因此，電池行業一般都是由大公司主導。A123 Systems前高管Andy Chu說：能量存儲是一個“大頭”玩的游戲，因為在研發電池中稍有不慎將會鑄成錯誤。雖然我希望電池初創公司最終會取得成功，但通過這幾年的歷史，(大家都可以看見，這些公司的)下場都不太好。
在過去的十年里，我們見證了電池行業“突破性”的進展，但是這些都是來自大公司的一些穩定小進步。

現在，電動汽車的價格比普通燃油車貴很多，很多人認為電動汽車進入大眾汽車消費市場將永無出頭之日，雖然燃料和維保費用能省不少，但是較高的初次購買價格仍然會嚇跑不少消費者。地球人都知道，電動汽車就是貴在電池，但可喜可賀的是，國外一項最新研究稱，鋰離子電池的成本價格一路在下降，而且速度比以前的預估要快。
據The Carbon Brief報道，早在2013年，國際能源屬(IEA)曾經預測，到2020年，電動汽車電池成本將下降到300美元/千瓦時。然而，NatureClimate Change的研究人員認為，電動汽車行業可能已經提前達到了這一目標，2007年至2014年之間，全行業平均成本從1000美元/千瓦時下降到410美元/千瓦時，平均每年下降14%。某些領先企業，例如日產和特斯拉已經跨越了IEA預測的300美元/千瓦時屏障，去年起電池成本很可能已經更便宜，價格可能比最近許多同行的評估低2至4倍，每年降幅為8%。
這項研究結果是基于同業評審學術刊物、機構測算、咨詢和行業報告、媒體報道、電池廠商和汽車制造商等85個成本預測得出的。由于制造商不愿向公眾披露自己的真實成本，因此，前面所提到的數據不是完整的數據。
100美元/千瓦時經常被看作是電動汽車能與普通燃油車進行價格競爭的基準。為了追求削減成本，導致替代鋰離子化學成分的各種研究大量投入。

研究人員預計，2017-18年，電池成本將會降到230美元/千瓦時。以美國為例，目前油價很低，預計電池成本只有低于250美元/千瓦時，電動汽車的價格才能更有競爭力。如果電池成本再進一步跌破150美元/千瓦時，那么電動汽車市場就會發生量變，車輛技術也將因此發生潛在轉變。要想達到上述水平，即使是在當前的勢頭下，即使電池單體化學技術已經實現了許多進步，但電池成本價格的大幅下降也不可能在一夜之間發生。研究人員認為，這些新的研究仍然很遙遠，只有市場規模的擴大更可能帶來成本的下降。
特斯拉汽車公司正在驗證研究人員的論斷，當位于內華達州的Gigafactory超級電池工廠在2017年啟動后，就會產生足夠大的市場規模，從而實現Model 3電動轎車35000美元的平民低價，這意味著電池成本將降低30%。另一方面，雷諾-日產也計劃在2016年實現可供150萬輛電動汽車使用的電池產能。
研究人員稱，整體而言，在不久的將來，即使技術沒有出現大的突破，規模經濟效應也有可能推動電池成本下降到200美元/千瓦時。如果這項研究的預測是正確的，那么電動汽車市場的發展規模可能會超過預期，這是一件好事。
從長遠來看，汽車制造商必須在盈利的基礎上生產電動汽車，然后加大銷售力度，實現規模經濟效應。日產汽車公司在在第一代聆風電動汽車上市后就設立了龐大的銷售目標，如今確實說到做到，聆風是全球迄今銷量最高的電動汽車，今年將突破20萬輛大關。下一代聆風預計將提供120-150英里(193-240公里)，甚至更多的續航里程，顯然這會吸引更多的消費者，日產作為車企也會越來越有利可圖。

五大電池技術商業前景可期
1.麻省理工學院：半固態鋰液流電池
美國麻省理工學院的研究人員與一家名為24M的衍生公司合作，開發出一種制造鋰離子電池的先進工藝：半固態鋰液流電池，不僅有望顯著降低生產成本，還能提高電池性能，使其更易于回收。
24M公司的創始人是麻省理工學院教授、A123電池公司前創始人之一蔣業明。蔣業明這個名字在電池界很知名，在全球材料科學家中排名66位。算是電池行業的世界頂級專家。他除了搞磷酸鐵鋰電池以外，還與同事于5年前提出了“半固態液流電池”概念，這些年他一直在做商用努力。
人們不斷尋找正極和負極材料，提升能量密度，干電池、鎳鎘電池還是鋰電池，無論材料怎么升級，傳統電池對活性物質的利用率很低，能夠產生電能的物質被包裹在必須的非活性物質之中。在常見的鋰電池里面，鋰材料只含電池重量的2%左右，這些非活性物質增加了電池成本，降低了活性物質的利用率。因為傳統電池的這些弱點，誕生了液流電池。液流電池可以視為一個獨立的大電池，正負極電解液分別存放，集中反應產生電能。這樣無需昂貴的附加材料，可以大大提升效率。
既然液流電池這么好，效率這么高，為什么還沒有被廣泛采用呢？因為液流電池的缺點也很多。目前液流電池的濃度有限制，雖然理論上效率比傳統電池要高，但是溶液濃度低、能量密度和功率密度并沒有優勢，價格也不算便宜。溶液本身能量密度就低，再加上裝溶液的罐子、抽送溶液的泵等附加裝置，液流電池整個系統綜合算下來效能就更差。
所以，蔣業明開發出來了半固態鋰液流電池。這種液流電池不用溶液，用細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿。因為這種泥漿的能量密度可以做的比溶液高，于是液流電池的大容量優勢就有了，在蔣業明在麻省理工寫論文的時候，他的半固態液流電池的能量已經可以達到500WH/L。
這種電池的原理其實很簡單。電極是細小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束泥漿流，一束帶正電，一束帶負電，兩束泥漿都通過鋁集電器和銅集電器，兩個集電器之間有一個能透水的膜。當兩束泥漿通過膜時，會交換鋰離子，導致電流在外部流動。
為了重新給電池充電，只需要施加電壓讓離子后退穿過膜即可。這樣，它的正極負極的材料利用率比傳統電池高的多，只要一層膜就夠了，用的各種材料也比傳統電池便宜的多。而且，半固態鋰液流電池可以做成柔性的(可以想象成塑料袋包著兩團泥漿)，不僅可彎曲、折迭，即使被子彈穿過也不會受損，安全性耐用性都有很大優勢。
理論上，半固態鋰液流電池的能量密度更高，價格更低，更安全，具有美好的前景。但是，這種東西的原理和結構與現在的電池完全不同，生產線設計、質量控制、測試標準、量產工藝這些東西都得從頭摸索。于是，這些年蔣業明的24M公司就一直在做從實驗室到量產的事情，解決新結構電池量產中遇到的各種問題，逐漸形成了一條手工生產線。到后來，他們手動生產一塊手機電池大小的單元只需6分鐘。經過摸索，團隊對生產工藝反復改進，最終打造出了工業化生產平臺，讓電池的能量密度和生產速度都發生了質的變化。
24M公司已經在原型生產線制造了約10000塊這樣的電池，部分正在接受3個工業合作伙伴的測試，包括泰國的一家石油公司和日本重型設備制造商IHI株式會社。新工藝已獲得8項專利，另有75項專利正在接受評審。下一步，蔣業明準備啟動第三輪融資，新的資金將用于研發一種機器，能在2-10秒內產出一個電芯。這說明，半固態液流電池已經到了大規模測試階段了，這個階段過了就是大規模量產了。
液流電池的成本優勢、安全優勢、容量優勢，在我們日常使用的手機、平板上并不突出。反而，這種容量大、便宜、安全性好的電池卻是新能源汽車與家庭儲能的絕配。電動汽車一旦用上這種電池，價格立即就能平易近人，續航里程也會更長，而且這種電池更安全，不怕普通的碰撞，這對電動車的安全性很有好處。
半固態鋰液流電池也許真的能鬧一場電池革命，也許只要3-5年，電動汽車的世界就會完全不同。

2.nanoFLOWCELL：液流電池可續航1000公里
在3月5日開幕的第85屆日內瓦車展上，中歐小國列支敦士登的nanoFLOWCELL不僅帶來續航800公里的QUANT F電動超跑，除了酷炫的外表，最大亮點就是采用了鋰離子液流電池作為性能電動超跑的推動力，續航里程高達800公里。第一輛原型車最早將在2015年上路行駛。
液流電池將電化學蓄電池以及燃料電池的各個方面相結合，相比為當今電動汽車提供動力的鋰離子電池技術而言，其性能高出4倍。新型液流電池除了在價格和行駛里程上具有顯著優勢外，還比目前汽車上使用的電池更加安全，更容易融入汽車設計中去。
液流電池將電化學蓄電池以及燃料電池的各個方面相結合。液體電解質存在于兩個電池倉中并經過電池流通。系統中心有一層隔膜將兩個電解質解決方案分隔，但仍能容許電荷流通，從而為動力系統制造動力。該系統的優勢之一在于其采用體積較大的電池倉，也就意味著有著更高的能量密度。600V額定電壓和50A額定電流下，該系統能不斷輸出30千瓦的最大功率。相比為當今電動汽車提供動力的鋰離子電池技術而言，性能高出4倍，也就是說它的可行駛里程是同等重量傳統元件的5倍。
QUANT F原型車中搭載了體積為200升的電池倉，儲容量為120千瓦時。該車在低負載條件下，百公里能耗約為20千瓦時。公司表示，今后有望將電池倉的體積擴充至800升。車內配備了4臺持續功率為120千瓦、峰值功率為170千瓦的電機，可通過扭矩分配實現四驅駕駛，也能作為車內兩個超級電容器的備用能量儲蓄裝置。每個車輪單獨峰值扭矩可達到2900牛·米。百公里加速耗時僅需驚人的2.8秒。

3.Sakti3固態電池技術突破，電動車里程翻倍至近800公里
座落在美國密歇根州第六大城市安娜堡的鋰電池初創公司Sakti3近日獲得了英國家電巨頭戴森(Dyson)1500萬美元的投資，這家專門從事鋰電池研發的創業公司手中握有一項絕技，那就是Sakti3研發的電池能量密度達到每升1000瓦時，這是目前普通鋰電池的兩倍，智能手機、筆記本電腦和電動汽車的電池性能將因此大大提高。
Sakti3的神秘電池使用了新型材料和生產技術，實現更高的能量密度，他們聲稱可以存儲每升1000瓦時，電動車的續航里程能從256英里提升到480英里(約772公里)，制造成本低，充放電速度快，更環保，而且比有些標準更安全。這項技術棄用了傳統鋰電池中的可燃液體電解質，通過其高能存儲材料實現技術進步，最重要的是，它的價格更低，每千瓦時約100美元，要遠低于目前200到300美元的市價，未來能夠應用于受限于成本和里程限制的電動汽車。
目前，Sakti3的鋰電池技術在處于研發階段，距離商品化還需要“數年”。很多電池初創公司都在努力將實驗室技術轉化成真實商品，但是一直也沒有重大突破，部分原因在于他們的原型產品是定制的，需要使用昂貴的制造技術，難以批量生產。而Sakti3的原型產品則采用了標準生產設備，經過完善升級，實現商業化的可能很大。

4.大眾超級電池：成本下降，能量密度提高
大眾汽車集團首席執行官馬丁·文德恩(Martin Winterkorn)日前透露，公司正在開發“超級電池”(Super-battery)，可大幅提升電動車續航里程，當下接近在新電池技術上取得突破。
文德恩在接受德國媒體采訪時表示：大眾正在加利福尼亞州硅谷研發一款超級電池，新電池價格更低，體積更小，動力更強勁。一款電動版大眾品牌車型(在搭載超級電池后)純電動續航里程有望達到300公里(186英里)。
那么，大眾將采用何種技術大幅提升電池能量密度？并且顯著改善電動車續航里程？目前焦點主要聚集在現有鋰離子電池升級版解決方案，以及較新穎的固態電池技術兩個方向。
在成本降低方面，大眾汽車品牌董事會成員主管研發業務的Heinz-Jakob Neusser透露，目前正計劃統一電池組規格，希望未來所有的電氣化車輛可以轉向單一的鋰離子電池單元設計。統一規格必然將會帶來成本的下降，目標是通過簡化電池單元設計降低66%的電池成本。

5.LG Chem電池新技術，讓電動車能跑500公里
韓國電池巨頭LG Chem宣布開發出新技術，電動車充電一次可行駛400-500公里，里程加倍，預計2017年就能量產。
目前，一般電動車充電后僅能行駛不到200公里。LG Chem副會長兼首席執行官樸鎮洙(Park Jin-soo)表示，該公司已研發出新技術，電動車行駛里程能增至400-500公里，產品不久就將投產，但是拒絕透露更多細節。而LG Chem動力電池事業部掌門人Prabhakar Patil近日接受外媒專訪時預計，2017年LG化學會再次取得重大技術突破，這比他原來預期的快，“到2017年或2018年，3萬美元、續航200英里(約321公里)的電動汽車將成為商業化主流產品。”雖然通用汽車公司還沒有證實即將推出的2017款雪佛蘭BOLT純電動汽車是否會使用LG化學的電池，但業內已普遍認為會是這樣。

小一克sheng · 發表于 2015-8-17 21:49:04

感覺電池并沒有太大的進步。

陳工電子 · 發表于 2016-5-14 09:50:25

期待新技術早日為我們所用，為環保作貢獻。

715840386 · 發表于 2016-6-28 22:11:37

講的很詳細啊，謝謝！

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電池技術的發展之路

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