新一代电池花落谁家

    新能源车产业看着花团锦簇，实际上像茶杯里的老鼠，看着透亮，前途不大。原因就在于电池的能量密度实在无法与传统动力相比。几乎全世界相关产业的科研力量都涉足了电池研究。突破了这一点，就突破了新能源车与传统动力车之间的藩篱，剩下的路一马平川。当然，神奇的自然规律不会让我们那么容易得逞。
    电池中可怜的电子迁移比例，决定了电池远远比不上汽油，柴油，丁烷，丙烷，天然气，当然更比不上氢燃料——因为氢本身可以将全部的电子参加化学反应。丰田的氢燃料汽车，从能量密度角度看，是完美的化学解决方案。它的难度在于庞大昂贵的基础设施建设和吸附、储存介质——气态的氢实在太活跃太危险了。
   

    本田燃料电池概念车FCV concept

    结果就是丰田率领自己的雁阵，在列岛的孤立之境中曲高和寡地玩儿。氢燃料的科技门槛太高，以至于大家对燃料电池在广袤的大陆国家大规模应用，有点缺乏信心。当然，除非丰田能想出更石破天惊的法子，解除大家对燃料电池安全和成本的戒心。
    无数聪明的头脑和天量科研资金，仍然投入到电池研发中，尽管它的能量密度可怜。
    正如我们在高中化学中学到的，大多数物质电子转移的比例都很低。只有元素周期表的前两行的轻原子有可能成为好的能量载体。除掉惰性气体和氮（跟惰性气体差不多的德性），还有熏死人的氟，只剩下氢（100%），碳（66%），硼（60%），铍（50%），锂（33%）——括号里是参加反应的电子比例。
   

    丰田氢燃料电池概念车——FCV Plus

    大家很容易发现，最适合能量载体的仍然是碳和氢。碳氢化合物，不就是我们常用的汽油天然气一类的燃料吗？
    出于排放考虑的电池，能选用的正负极材料，仍然必须在上述圈子里寻找。在可怜的能量密度提不上去的同时，我们还得操心别的事。
    经典派
    电池技术已经发展了百余年，早就过了爆发期。对于未来我们必须要有现实态度。支持电池发展的分子物理和化学分支，二战以后没有重大理论突破。我们见证了从铅酸到镍镉、从镍镉到镍氢、从镍氢到现在的锂离子的可充放电池发展历程。这期间电池结构没有什么变化，可预见的未来也不会有。因此，不要想着爆个大新闻。
    研究经典电池的大多数机构或者公司，都在正负极材料、电解液、隔膜上做文章。
 

    特斯拉Model S配高性能钴酸锂电池

    倒退两年，正极材料研究是热点。除了特斯拉热捧的钴酸锂之外，目前的其它锂电池正极热点材料，还有三元化合物Li（Ni Co Mn）O2、磷酸铁锂（Li Fe PO4）。然而由于压实密度原因，采用这些材料的电池的容量并不如钴酸锂电池。为什么人们还要大力研究？
   

    Model S电池与车架融为一体

    钴酸锂电池好是好，只是由于热失控的问题体积做不大。基于同样的原因，为追求大电量，需要将众多钴酸锂电池堆叠在一起。精确管理这些小电池，似乎成为控制技术的噩梦。特斯拉将它们划分成数百个小单元分别控制。但过高的成本让特斯拉缺乏追随者。
    前几天在京高调召开发布会的微宏公司，用三元材料作正极，钛酸锂作负极，并对电解液和隔膜进行了独到的设计。公司高层宣称可以在300摄氏度时不陷入热失控。
    锂空气电池
    除了还原剂令人头痛，氧化剂的选择也没有什么余地。如果不用过渡金属，卤素也显然不行，那就只能选氧与硫。锂空气电池（锂、氧）与锂硫电池都有很多人研究，但进展寥寥。除了IBM曾经爆出过大新闻。
    IBM旗下的
    “电池500”项目，致力于使锂空气电池商用化。和目前商用的重金属氧化物作为阴极的锂电池不同，锂空气电池的负极是泡在有机电解液里面的碳棒，反应物则是空气中的氧气。
   

    空气理电池作用原理图

    这种反应模式最大的优点是无须自带阴极氧化物，重量大大减轻，能量密度可以提升10倍，插电式电动车依靠这种电池可以一次行驶800公里，超过传统动力车。不仅如此，锂空气电池也可以不进行充电，直接更换正负极卡盒，算是一种新型的燃料电池。
    既然使用空气，该电池必须设计成开放系统，电极和电解质都暴露在空气中，这使得人们始终无法维持这两者的稳定性，被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应，导致负极迅速劣化。无论“锌空”到“锂空”，都被严厉地批判过。
    日本旭化成公司（Asahi Kasei）和中央硝子公司（Central Glass）在分离膜和电解液方面为该小组提供支持。
    该小组尝试将碳棒换为昂贵的纳米金阴极，将阴极反应液换成更不容易参与阴极反应的有机液体。并声称获得“充放电高达数百次而性能下降不明显”的锂空气电池。但距离商用化，仍然有“很长的路要走”。
    为了避免负极产生枝晶，即锂离子在负极表面无序生长，需要加强捕获锂离子的手段。微宏公司也声称采用“多孔复合碳”作为负极材料，比表面积是传统石墨的20倍以上，使锂离子稳定快速地迁移。
    石墨烯
    既然电池的正负极表面材料和结构大有讲究，为什么不利用近来突飞猛进的纳米技术，用各种纳米线、管、球、碗设计精细有序的表面结构呢？
    石墨烯就是其中的大新闻。尽管人们普遍对此怀有疑虑，因为声称以石墨烯为原料的锂电池能量密度高达600wh/kg，是传统动力锂电池的5倍。一度有人将石墨烯技术当做解决新能源车续航问题的终极方案。可惜，谁也没有在可控成本上复制试验室成果。
    单层或者2层石墨烯确实很神奇：最薄、最坚硬、最导热、最导电，简直就是上帝赋予的材料。但只是看上去很美。
   

    韩国研发石墨烯超级电容电动汽车充电只需4分钟

    “接近完美”的石墨烯成本非常高昂，在2010年左右每克几千元的售价，做成电池谁买？现在有公司声称将石墨烯的成本降低10倍，但仍然太贵。
    即便不考虑成本，石墨烯很难分离到“完美”的1、2层，现有几种方法分离出的石墨烯，充满着官能团和瑕疵，层数不一，电化学性能远不尽人意。
    有人提出，像撒芝麻一样，在导电剂中掺点石墨烯。但马上就有唱反调的人站出来说，石墨烯做导电剂分散性，还不如廉价的碳家族兄弟。石墨烯很容易把从正极出发的锂离子通道给堵死，反映到宏观层面，就是这种电池充一两次电之后就废了。
    石墨烯做负极，理论上最多是石墨负极两倍的容量，而硅做负极的理论容量近石墨的10倍，石墨烯就是成本低了也玩不过人家。事实上如果只考虑能量密度的话，金属锡更适合作为负极材料。但到现在为止也就索尼推出过“锡电池”（Sonynexelion14430W1）。但是，锡电池的名气远不如还未做出成品的石墨烯电池。
    固态电池
    电解液只为了电子有序迁移提供通路，本身并不能蓄能。如果没有电解液，岂不能提高能量密度？能量载体的物质密度，固体》液体》气体。这是很容易理解的。
   

    丰田在2010年展示出的固态电池技术

    支持全固态电池的厂商声称，他们研发的对象规避了液态电池的种种弊端。作为技术关键，固态电池传递电荷的介质（电介质）是各家电池公司的饭碗。尽管理论上可用氧化物、硫化物、氮化物作为固态电解质材料，但无法实现液态电池那样的传导率。德国马克思普朗克研究所开发的一种包含锂、锗、磷、硫的化合物，传导率空前地高，但仍未能达到液态电池的水平。
    所有固态电池厂家心知肚明的是，电池阴极和固态电解质之间的转移电阻过高，致使固态电池的功率密度还很低。同时，制造电池（其实是固态电介质）成本还非常高，因此距离商业化还有很长的路要走。
    作为新能源技术领头羊的丰田存在同样的苦恼。公司高管必须做出决定，选择看起来靠谱的那一个技术方向。在2010年，丰田推出了续航力达1000公里的电动车，用的就是固态电池技术。丰田还畅想在2020年将该技术商用化。但很快，丰田就将资金砸向氢燃料电池技术，围绕氢制备和存储，建立了庞大的专利群。丰田的宣传机器转而宣传“美好氢时代”。
   

    日本“超级电池”容量可达锂离子电池7倍

    丰田从电动转向“氢动”，鉴于丰田的地位，此举直接打击了固态电池产业。一时间，几乎所有厂家都本能地对固态电池持谨慎态度。当丰田莫名其转向时，有些整车厂甚至还没有搞清楚，固态电池的瓶颈到底在哪里。
    曾得到巴斯夫和通用投资的创业公司Sakti3，声称研发出拥有1100WH/L的能量密度的固态电池——相当于主流锂电池的4倍。Sakti3预测，固态电池电池的成本将“很快”降低至100美元/千瓦时。
    而丰田曾公开表示，“在克服技术障碍的前提下”，全固态电池在2025年可以实现商业化，比锂空气电池早5年。但随后丰田很快发现，“技术障碍”是如此地强大，足以阻碍固态电池的技术前进脚步。丰田选择了另一条道路，所谓的“2025年固态电池”再也没有被提及。
    让所有创业公司迷惑、新能源整车厂家谨慎的是，眼下不存在竞争优胜者。5年内新能源汽车未来的产值将达到整个汽车工业的10%。在不能产生新王者的局面下，庞大的产值仍然依靠我们今天熟悉的锂电池产业。有明确商业价值的新一代电池，会诞生在我们已经提到的这些技术方案之中吗？这是一个大概率事件。毕竟选择就那么几样。不过，新技术很可能赋予它们新面目和可靠的竞争力。