下一代电池长什么样子?

发布于 2021-09-13 08:16

本文来源：知乎作者：知擎

电动飞机可能是航空业的未来。从理论上讲，它们将比我们现在拥有的飞机更安静、更便宜、更清洁。一次充电1000公里（620英里）的电动飞机今天可以用于所有商用飞机飞行的一半，将全球航空的碳排放量减少了大约15%。
电动汽车也是如此。电动汽车不仅仅是污染喷涌的同类产品的清洁版。从根本上说，它是一辆更好的汽车：它的电动机产生的噪音很小，对司机的决定反应迅速。给电动汽车充电的费用远低于支付等量汽油的费用。电动汽车可以用一小部分运动部件来制造，这使得维修成本更低。
那么为什么电动汽车还没有普及呢？这是因为电池价格昂贵，使得电动汽车的前期成本远高于类似的燃油动力汽车。而且，除非你开很多车，否则节省的汽油并不总能抵消更高的前期成本。总之，电动汽车仍然不经济。
同样，目前的电池在重量或体积上也不能储存足够的能量来为客机提供动力。在电池技术成为现实之前，我们仍然需要取得根本性的突破。
电池驱动的便携式设备改变了我们的生活。但是，如果能便宜地制造出更安全、更强大、更高能量密度的电池，那么电池就有更多的可能被破坏。任何物理学定律都不能排除它们的存在。
然而，尽管自1799年第一个电池发明以来经过了两个多世纪的密切研究，科学家们仍然不完全理解这些设备内部到底发生了什么的基本原理。我们所知道的是，为了让电池再一次真正改变我们的生活，基本上有三个问题需要解决：电力、能源和安全。

没有一个适合所有锂离子电池的尺寸

每个电池有两个电极：一个阴极和一个阳极。大多数锂离子电池的阳极是由石墨制成的，但阴极是由各种材料制成的，这取决于电池的用途。下面，您可以看到不同的阴极材料如何改变电池类型在六个方面的表现。

能量挑战
一般来说，人们使用「能源」和「能量」是可以互换的，但在谈论电池时区分它们是很重要的。功率是能量释放的速率。
一个强大的电池能够在很短的时间内释放大量的能量足以支撑商业喷气式飞机的起飞和保持在1000公里的高空飞行，特别是起飞的瞬间。因此，这不仅仅是可以储存很多能量，还涉及到拥有迅速释放能量的能力。
应对能源挑战需要我们了解商用电池里面到底是什么。或许，这些内容听起来有些呆板，但是请容忍一下。新的电池技术经常被夸大，就是因为多数人对电池的细节不够了解。
我们目前最前沿的电池化学是锂离子。大多数专家都同意，在至少十年或更长的时间里，没有其他化学物质会破坏锂离子。锂离子电池有两个电极（阴极和阳极），中间有一个分离器（一种可以传导离子而不是电子的材料，旨在防止短路），还有一个电解质（通常是液体），使锂离子在电极之间来回流动。当电池充电时，离子从阴极移动到阳极；当电池供电时，离子向相反的方向移动。

想象一下两条切片面包。每个面包都是一个电极：左边是阴极，右边是阳极。让我们假设阴极是由镍、锰和钴（NMC）薄片组成的——这是同类中最好的薄片之一，阳极是由石墨组成的，石墨本质上是由碳原子的层状薄片或薄片组成。
在放电状态下，也就是说，在能量耗尽后，NMC面包在每片之间夹有锂离子。当电池充电时，每一个锂离子从薄片之间被提取出来，并被迫通过液体电解质。分离器充当检查点，确保只有锂离子通过石墨层。当电池充满电时，电池的阴极层就不会剩下锂离子，而是整齐地夹在石墨层之间。当电池的能量被消耗时，锂离子会回到阴极，直到阳极中没有剩余的锂离子。这时电池需要重新充电。
电池的能量容量基本上取决于这个过程发生的速度。但提高速度并不容易。过快地将锂离子从阴极面包中抽出可能会导致切片产生缺陷，最终破裂。这就是为什么我们使用智能手机、笔记本电脑或电动车的时间越长，它们的电池寿命就越差的一个原因。每次充放电都会使面包变弱。
许多公司都在努力解决这个问题。一种想法是用结构更坚固的材料代替层状电极。例如，已有100年历史的瑞士电池公司Leclanch_正致力于一项技术，该技术使用具有「橄榄石」结构的磷酸铁锂（LFP）作为阴极，使用具有「尖晶石」结构的钛酸锂（LTO）作为阳极。这些结构在处理锂离子进出材料的流动方面更为出色。
Leclanché目前在自动仓库叉车中使用电池，电池可以在9分钟内充电到100%。相比之下，最好的特斯拉增压器可以在10分钟内将特斯拉汽车电池充电到50%左右。Leclanché也在英国部署其电池，用于快速充电的电动汽车。这些电池位于充电站，从电网长时间缓慢地吸收少量电力，直到完全充电。然后，当汽车停靠时，坞站电池会快速为汽车电池充电。当汽车离开时，车站的电池又开始充电了。
像Leclanché所做的努力表明，修补电池化学制品以提高其功率是可能的。尽管如此，还没有人制造出一个足够强大的电池来快速释放商用飞机战胜重力所需的能量。初创企业正在寻求建造小型飞机（最多可容纳12人），这种飞机可以使用功率相对较低的密集型电池或电动混合动力飞机，在这种飞机上，喷气燃料起重很困难，电池起滑行作用。
但在这个接近商业化的领域却没有公司进行投入。此外，卡内基梅隆大学的电池专家VenkatViswanathan说，全电动商用飞机所需的技术飞跃可能需要几十年。

能源挑战
特斯拉Model 3 是该公司最实惠的车型，起价为35000美元。它使用一个50千瓦时的电池，大约花费8750美元，相当于汽车总价格的25%。
与不久前相比，这仍然是一笔令人惊讶的费用。据彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）称，2018年全球锂离子电池的平均成本约为175美元/kWh，低于2010年的近1200美元/kWh。
据美国能源部测算，一旦电池成本降至每千瓦时125美元以下，在世界大部分地区拥有和运营电动汽车将比燃气动力汽车便宜。这并不意味着电动汽车将在所有的细分市场和领域战胜燃气动力汽车，例如，长途卡车还没有电力解决方案。但这是一个转折点，人们开始喜欢电动汽车，因为在大多数情况下，电动汽车更经济。
实现这一目标的一种方法是提高电池的能量密度，在不降低价格的情况下将更多的电塞进电池组中。理论上，电池化学家可以通过增加阴极或阳极或两者的能量密度来做到这一点。
在商业化应用中，能量密度最高的阴极是NMC811（数字中的每个数字分别代表混合中镍、锰和钴的比例）。它还不完美。最大的问题是，在它停止工作之前，它只能承受相对较少的充放电寿命周期。但专家预测，未来五年内，产业研发将解决NMC 811的问题。当这种情况发生时，使用NMC811的电池将有10%或更多的能量密度。

然而，10%的增长并不是那么大。过去几十年的一系列创新推动了阴极的能量密度越来越高，而阳极是最大的能量密度机会所在。
石墨一直是占主导地位的阳极材料。它价格便宜，可靠，能量密度相对较高，特别是与目前的阴极材料相比。但与其他潜在的阳极材料（如硅和锂）相比，它相当弱。

例如，硅在理论上比石墨更好地吸收锂离子。这就是为什么许多电池公司在其阳极设计中都试图在石墨中加入一些硅；特斯拉首席执行官埃隆•马斯克（Elon Musk）表示，公司已经在锂离子电池中加入了硅。
更大的一步将是开发一种完全由硅制成的商业上可行的阳极。但这种元素的特点使其难以实现。当石墨吸收锂离子时，其体积变化不大。然而，在同样的情况下，硅阳极膨胀到原来体积的四倍。
不幸的是，你不能只是让外壳更大以适应膨胀，因为膨胀会破坏硅阳极的「固体电解质界面」，即SEI。
你可以把SEI看作是阳极为自身创造的一种保护层，类似于铁形成锈的方式，也被称为氧化铁，以保护自己免受元素的侵害：当你把一块新锻造的铁放在外面时，它会慢慢地与空气中的氧反应，从而生锈。在铁锈层的下面，其余的铁不会遭受同样的命运，因此保持了结构的完整性。
在电池第一次充电结束时，电极形成了自己的「锈」层，SEI将电极的未极化部分与电解液分离。SEI阻止了消耗电极的额外化学反应，确保锂离子能够尽可能平稳地流动。
但是，有了硅阳极，每次使用电池为某个设备供电时，SEI都会断裂，每次给电池充电时，SEI都会进行改革。在每个充电周期中，会消耗一点点硅。最终，硅会消散到电池不再工作的程度。
在过去的十年里，一些硅谷的初创企业一直在努力解决这个问题。例如，SilaNano的方法是将硅原子封装在一个纳米大小的壳内，壳内有许多空腔。这样，SEI就形成在外壳的外部，硅原子在外壳内部发生膨胀，而不会在每个电荷放电循环后破坏SEI。该公司价值3.5亿美元，称其技术将在2020年为设备供电。
另一方面，Enovix采用了一种特殊的制造技术，将100%的硅阳极置于巨大的物理压力下，迫使其吸收更少的锂离子，从而限制了阳极的膨胀，防止了SEI断裂。该公司从英特尔和高通公司获得投资，预计到2020年，该公司的电池将用于设备。
这些折衷意味着硅阳极不能达到理论上的高能量密度。不过，两家公司都表示，他们的阳极性能优于石墨阳极。第三方目前正在测试两家公司的电池。