电池将拯救世界

减少化石燃料消耗，应对环境灾难和全球气候变化，交通运输部门还在探索简单易行的战略路线。现在看来，开发先进的蓄电池、发展混合动力和纯电动交通工具尤其汽车，是明显逐渐被认可的选择。12月13日，汤姆•帕雷特(Tom Parrett)发表在美国《新闻周刊》上的文章[1]，说先进的电池能拯救世界，强调其重要性;但文章结尾处“有助于拯救地球”的说法更加帖切。其实，中国在这方面已处在世界前沿。

未来电池能与汽油的存储能力竞争吗?

三年前，科学记者福哈德•曼约奥(Farhad Manjoo)给美国网络杂志Slate写了篇文章[2]，称“更好的电池将拯救世界”，然而副标题却“反驳”大标题说“太糟糕了,不可能做到”。尽管当时汽车领域刚刚推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛兰Volt，并发布了大量新型混合动力和纯电动汽车，从箱型经济车到两款豪华的混合型保时捷。

曼约奥和其他人预见的问题是多方面的：(1)汽车电池非常昂贵;(2)“能源密度”(单位重量含能源的数量)似乎比汽油还相差甚远;(3)也许有危险——电池的新兴关键材料锂本身不稳定，在空气中化为粉末。一个问题是潮湿可能发生爆炸。另一个问题是这种材料被“隔绝”，有可能发生“热击穿”——快速加热直至着火。所以，重要的是锂要保持冷却和干燥。

但最后这个警告恰好是锂为何成为有吸引力电池材料的原因：其危险的能源是巨大优势。因此，电池技术方面有个寂静的锂“冲刺”，一直并继续在真正地进步。近几年由于电池的进步，化石燃料汽车成为“审美”选择，不是经济的必要。我们的城市电网将变得更复杂，也更可预测、可靠和经济。

电池冲击

汽车电池从铅酸转向锂电池，镍镉手电筒转向手持锂离子设计，电池变得更加高效。没有锂离子电池，几乎一定不会有现在的“手机社会”。但走近大型设备如交通工具和电站之类能够拯救我们能源消费生命的场所，到处充斥着曾经选定的优胜者如A123系统及其赞助商、菲斯卡尔业力(Fiskar Karma)汽车、莫里能源、Avestor、曾经给通用车队提供动力的Envia，全都亏损数百万并且勉强逃离起跑栅门[3]。

如果说有人理解电池革命面临的挑战的话，那正是此人在上个世纪70年代末为埃克森(Exxon)石油公司发明锂离子电池拉开了应战的帷幕。正是史丹尼•惠廷厄姆(M.Stanley Whittingham)[4]，现在纽约州北部宾汉吨大学的化学教授曾预言，“10年内，每辆车都会是混合动力或电动车。”

他认为有许多理由可持乐观态度。举例说，大量资源正投入制造更好电池的技术挑战，从刚起步的小型电脑公司和专科学院到供应充足的大学如哈佛和斯坦福的实验室，还有美国主要的国家实验室，包括阿贡、劳伦斯利弗莫尔和圣地亚，以及德国、荷兰、法国、日本、韩国和中国大公司的实验室。

还有清晰而迫切降低人类发射温室气体的需要。取代化石燃料能源，电池将发挥很大作用。消费者显然需要可再生能源：例如电动和混合动力汽车销售正在强劲增长。

更好的电池提供两个大奖项：首先是负担得起的电动汽车，它是我们未来“移动社会”的支柱;其次是更灵活、分散的电力网，因为先进的固定式电池将以更低的价格保持我们家庭和工厂的电力供应。

结束“里程”焦虑

最初提议的电动和混合动力汽车是适度的，每次充电驱动里程在40-100英里(高价的特斯拉公司的电动汽车额定265英里除外)，而且只在理想的条件下。然而，不久之后的第二代就能达到200英里。韩国大公司乐金化学(LGChem)给雪佛莱Volt和福特Focus供应电池组，据报道其更新的锂离子设计将于2016年使这些汽车的驱动里程达到200英里。特斯拉电动汽车公司主席和主要股东伊隆•马斯克(Elon Musk)说，今年8月他的公司就在致力于新电池，要把公司汽车的驱动里程提升到500英里。

与此同时，电池的成本在下降。研究公司法维翰(Navigant)指出，五年前笔记本电脑电池的价格约为每千瓦时1000美元，现今“价格接近每千瓦时250美元”。2012年7月麦肯锡咨询公司(McKinsey&Company)报道说[5]，到2025年汽车用先进锂离子电池的价格将会从2011年的每千瓦时500美元降到每千瓦时160美元。法维翰公司说，到2020年电池的交易额将从今天的120亿美元上升到750亿美元。

不久的将来，电池汽车将在成本上与汽油动力汽车竞争。马斯克曾说，电池动力的“圣杯”是每公里-时100美元，他预料在“五到七年”内实现。特斯拉公司正与日本松下公司共同努力在内华达州斯伯克斯建造50亿美元的“电池工厂”，制造先进电池，规模上有利可图。预计每年生产50万台电池组，使全世界锂离子电池产量翻番。

强大的比亚迪秦

电池有三个基本部件：两个电极，阳极(带负电荷)和阴极(带正电荷)，以及中间的电解液(或俗称电池液)。发生的是化学反应，闭合电池回路(也就是接通灯开关)，电子从阳极流出，通过电解液流入阴极，流过灯泡做功。离子流的方向相反。最终结果是中性状态，电池或者被废弃，或者再充电。

现在大多数汽车电池可再充电，而且用某种形态的锂作为一个电极，钴或碳作为另一个电极，氧化铝作为电解液。但研究人员渴望下一件“大事”是探索在电池技术上取得“从爬行到冲刺”的进展。某些重大进步展示出成功的希望，能源密度约为锂离子的三到五倍，按照理论上铂金标准，作为汽车的燃料甚至超过汽油。

最大胆的概念是锂-空气，摆脱传统金属作为阴极，用碳取而代之，彻底改造电池，抽取空气中的氧原子代替电解液中的氧化物。麻省理工学院(MIT)的一个团队提出纳米丝构成的阴极[6]。这是一种非常微小、用单个原子建成的结构，实际上是由基因变异病毒制造的。这是个非常棘手的材料，实验室设计证实比典型的锂离子电池容量高两倍，而且再充电更快。

随着电池化学的进展，类似这样的新材料将成为关键。石墨烯即超薄(只有原子宽度那么厚)的单层碳，最初由两个俄罗斯科学家2003年在曼彻斯特大学制造(而且为此获得2010年度诺贝尔物理学奖)并开发为电极物质。它的坚强、柔韧和传导性令人惊讶，也能大规模便宜地制造，网上订货每克5美元。在电池内，它能急剧减少充电时间，增大储能容量。出自西北大学和阿贡国家实验室，总部在美国密歇根州的XG科学和SciNode系统二者都在致力研究石墨烯电池。据SciNode说，它的阳极能提供比常规碳高三倍或更大的储存容量。据中国新华社报道，特拉斯公司也可能有个石墨烯项目[7].

石墨烯是碳原子制成的原子比例的蜂窝晶格

另一有希望的变种是锂-硫设计[8]，用便宜的硫替代高价钴，而且提供极高的能源密度。伯克莱国家实验室的科学家曾提出一种设计，使锂离子电池的能源密度加倍，潜在的成本低到每千瓦时100美元。还需要做更多的研究，但这种方法非常诱人，据说能挫败汽油。

此外，铁-磷酸盐的设计完全不需要锂。在中国，汽车制造巨人比亚迪(BYD)汽车公司曾把E6即铁-磷酸盐电池供电的出租车投入市场，驱动里程185英里。它基于BYD称之为Fe(铁元素符号)的电池。比亚迪“秦”是混合动力车[9]，最大功率输出223千瓦，比特斯拉S型略低。据公司测试，10000次充放电循环后，Fe电池仍然保持其容量的70%。那是27年的日常再充电。

深圳比亚迪汽车公司生产的电动出租车

坚持下去，“到天明”

与此同时，我们可能正接近“固定式储能”的黄金时代。无需移动的电池没有重量要求，意味着开发商能用较重、不那么独特和更便宜的材料。这样的电池提供后备电源使电网更可靠，而且避开峰值能源成本尖峰，搜集非峰值期可再生的风力发电机和太阳能电池板能源，因而价格低廉。

这种设计倾向反映对汽车所做的工作，但也有显著的例外。总部设在匹兹堡的阿奎昂能源(Aquion Energy)公司专门研究微电网、局部完整电源解决方案，包括边远地区太阳能、风能或其他可再生能源发电。它的先进电池成本大约等同老式铅酸蓄电池，但持续时间翻了一番。

在麻省理工学院(MIT)，唐纳德•萨杜威(Donald Sadoway)和他的团队开发了持续很长时间的固态电池[10]。据他们说，很容易按照比例放大。材料普通而且价廉，但设计是彻底创新的：完全保持液态，加速电子和离子交换，而且电池自身保持在高温下，依靠严格保温保持350℉或更高，但仍以75%的效率生产能源，比内燃机高一倍多。总部设在剑桥的AMBRI(原来的液态金属电池公司)正在制造这种电池，据说这种电池将延续几十年，性能几乎没有下降，即使完全放电，预计10000次循环容量仍为98%，这是巨大的成功。明年原型机将被发往四个州做现场测试。

依据资料与注释

[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]. 详见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