想做一块便宜耐用又不会炸的电池太难了,不过还是有人在坚持

新创

2017-02-23 18:03

人们可能觉得电池是整个科技领域里最不起眼的产品,但它或许将会驱动这个世界的未来。

智能手机越做越薄,但是它所使用的电池技术依然没有得到升级,在追求极端设计的情况下,体积一成不变的电池塞进一个比其厚不了多少的机身内,后果可想而知(还是没忍住斜眼看了 Note 7)。同样的,笔记本电脑的处理器差不多每两年甚至一年就会进行一次升级,但电池容量仅会比之前增加一点点。

在人们生活中最常用到的是锂电池。而锂电池最大的问题就是它易损坏。如果你有一台诺基亚扔在一边好久不用,电量已经耗尽,突然有一天你一个怀旧感上头,扒出来将它充满电,你在等待它重新点亮屏幕的同时,这种深度放电和再充电会给锂电池带来很大的物理破坏,随着时间的推移这将会损坏电池的性能,当然,日常的充电放电也会随着次数增加而加快锂电池的损坏。

然而,在未来的供电场景里,电池是必不可少的,电动汽车,工业规模的太阳能农场等等都离不开电池。在过去五年里,存储能源的成本下降了一半,越来越多的大公司开始对技术进行大胆的投资,最具代表性的就是特斯拉 “gigagactory” 电池工厂。可在人们日常生活中最常用到的锂电池,价格依然较高且不稳定。也正因如此,越来越多的新型燃料电池便一直在研发当中。

想要一块便宜又不会炸的电池,但…

“现在最大的问题仍然是电池价格过高,” ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy,美国政府机构,负责促进和资助先进能源技术的研究开发)副主任埃里克•罗尔芬(Eric Rohlfing)说。2012 年《自然》杂志的一项调查研究中指出,美国人平均每月只愿支付约 13 美元以确保用可再生能源来供电,因此电池不能再涨价了。

而对于公用设施的用电,美国人对供电的平均支付水平意味着,如果提供电网级能量的存储,其成本不能超过每千瓦时 100 美元。自 2009 年奥巴马政府上台,ARPA-E 就已投入 8500 万美元用于研发能够实现这一目标的新电池。

然而,“每千瓦时 100 美元” 这个目标在电力行业来看近乎荒谬。因为到现在为止,连每千瓦时 700 美元的目标都还没有达到。虽然上述目标到现在都没有实现,但它已经成为了整个电力能源行业的目标。

(太阳能和风能)

此外,便宜的能源不一定可靠。可再生能源在持续供电的能力上或许没有化石能源可靠,如果用电需求突然增加,大规模启用太阳能发电是不现实的。太阳能供电的峰值在白天,而其供电能力随着云的移动不断变化,到了夜间就只剩下白天所存储的能量了。而风力发电的可预测性就更低了。利用可再生能源发电,使得电网变得不稳定,发生爆炸的可能性虽然不高,但可能会导致更加频繁的停电问题。

想造出便宜且可靠的电池,绝非易事。

有人在为新型电池努力着

“我们一直没有更好的电动汽车的原因是我们没有合适的电池,” MIT(麻省理工学院)的萨杜威(Sadoway)说。萨杜威对铝金属的冶炼有过一些经验,而他在思考冶炼铝的过程是够可以成为一种新型电池的模型。铝的冶炼是一个非常廉价和能源密集型的过程,通过该过程,纯净的金属得以从矿石中被提取出来。

(萨杜威研制的电池原型)

但重点并不是对金属的提取,而是整个提取的过程。在萨杜威看来,如果能将整个提取金属的单项过程在密闭的环境中进行循环,在这个过程中所产生的能量或许能够被存储并使用,他把这称作 “熔融电池”。

但在上述过程中,“熔融电池” 的温度会达到 471°C,仅仅比汽车引擎的温度低一点点,所以“熔融电池”用作电动汽车的引擎倒是比较合适。

除了发热量高的问题,另一个更为实际的问题是——研发资金。即便在这个项目的研发初期,ARPA-E 和法国石油巨头道达尔都有资助,但后续研究所需要的新技术花费相当高昂。面对当下遍地都是能够迅速获得利润的互联网初创公司,风险投资者们鲜有冲动将资金投入到工业或工程项目中,因为利润太低,或许这也是电池技术发展缓慢的一个原因。

新型电池初现成果

此外,在 APRA-E 所资助的新型电池研究项目中,来自匹兹堡的 Aquion 公司所研发的电池,最具商业应用前途和竞争力。

Aquion Energy

这个新型电池被称作 “盐水电池”(saltwater battery)。这种电池最接近之前所说的便宜,可靠的特性,Aquion 公司的 “盐水电池” 所使用的盐,不锈钢和棉等材料都是丰富易得的资源,而这些材料中没有一种物质具有锂电池的风险。除了不会易燃和易腐蚀,“盐水电池” 的主要制造装备设备来自食品包装行业,组装电池就像把饼干放进包装盒里一样简单。

目前 Aquion 的电池已上市近三年,在家庭和公用场景中都有使用到,其在全球共部署了 35 兆瓦时的电力存储。一些区域及建筑在使用“盐水电池”供电后,因为价格低廉且安全,并没有选择回到化石能源供电的方式,而是继续使用前者。

即便 Aquion 的新型电池已经在少数地区被使用,但对于很多人来说,研发电池并不是一份好差事,前面已说过,利润低,投资者不感冒;除此之外研发电池在很多人看来一点都不 “cool” 。来自 Aquion 的研究人员 马特•马龙(Matt Maroon)从 2002 年就进入这个领域,而他在很长一段时间内都是整个团队中最年轻的人,因为没有更多的人愿意搞电池研发。

不过在 15 年后的今天,情况有所转变,研发新型电池的人渐渐多了起来,马特也终于不再是最年轻的那个。人们意识到利用电能是发展的一个趋势,它能帮助改善环境,提高资源的利用效率,而新型电池可以应用到更加广泛的场景里,家庭用电,公共设施用电,汽车用电等等。

新型电池的应用还有很长一段路要走,就像当初的发明锂电池一样。人们在 20 世纪 70 年代就开始研究锂电池,而在 1992 年才由索尼发布了首个商用锂电池,在漫长的完善和发展中其才慢慢进入到我们生活中,进入到我们的手机,电脑中。

部分图自:wired,grist

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