汽车电池技术“突破”为何那么难？

塞隆

锂电池便携设备改变了我们的生活，但电池受到物理原理的限制，技术迭代一直不大。从1799年人类发明第一块电池，自此之后的两个多世纪，科学家不断研究，但仍然无法完全理解设备内部到底发生了什么。我们只是知道，如果想让电池再次改变我们的生活，有三个问题需要解决：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。

根据科学家、工程师、初创公司和分析师的说法，在当前电池技术的背景下使用“突破”这个词充其量只是一种宣传行为。比如电池初创公司Conamix成立于 2014 年，正在寻求风险资本家和研究机构IARPA资助的技术。其首席执行官兼联合创始人夏洛特·汉密尔顿表示：“电池供应商都知道这门技术当前的顶点在哪里，如果说电池技术马上会发生革命，绝对是无稽之谈。”

电池对日常生活变得越来越重要：人们对智能手表或手机充电的频率在提高，驾驶电动汽车的司机日夜都在为里程而焦虑，电力存储对于不断增长的可再生能源需求也在攀升。所有这一切人类活动的改变都增加了对电池的需求，使该行业成为投资者最热门的领域之一。

根据 PitchBook的数据，去年风险资本家在全球范围内向向电动汽车初创公司投入了近 180 亿美元，包括电池和锂矿开采。例如2021年8 月，中国电动汽车电池制造商Svolt（蜂巢能源）在单轮融资中净赚16亿美元。

“人们喜欢技术突破，但当我们写论文时，会尽量避免夸大其词。”哈佛大学研究员李鑫说，他的团队最近在科学杂志《自然》上发表了一些研究论文：“1991年锂离子电池首次商业化以来的几十年沉淀表明，它们能够提供的真正突破很少。在我看来，媒体过去5年报道的电池‘突破’得太多了，但实话实说，能在商业产品中落地的乏善可陈。”

近两年电池创新计划降温后，市场状况是电池工厂要筹集资金变得相对困难，一位业内人士认为，初创公司资金有限，既要研发改变关键电池组件的材料，又要获得更低的成本的采购，企业很难维持。

“当我们在2003年创办特斯拉时，电动车的电池技术正在以每年约7%到8%的速度变得更好。”特斯拉CEO马斯克早期的合伙人马克·塔彭宁说。“但时间过了19 年了，电池容量方面没有发生重大变化，只是每年有那么一点点的微弱进步。”

电池技术进步变缓的原因有很多，大多数归结为高容量电池固有的复杂性。在分子的水平上，普通锂离子电池内部发生的是一系列复杂的化学反应，比如给iPhone充电的过程从来都不是完美的，最好电池品牌的容量也会随着时间的推移而下降，到了第13代，续航问题依然是手机用户的噩梦。

许多理论上可以使现有电池容量增加一倍或三倍的方法，在经过几个充电周期后都恢复到了正常水平。一个典型的例子是锂硫电池，锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压，被视为一种非常有前途的能源存储解决方案。

锂硫电池理论上它的容量可能是当前电池的近 10 倍。唯一的问题：如果以与当前电池相同的方式制造锂硫电池，则只需一两个充电周期后，它就会几乎完全损坏。

锂硫电池的体积能量密度比较低，可能仅与磷酸铁锂电池相当。因为硫是绝缘体，让它导电、让它反应、让它分散，就必须采用大量高比表面的碳，导致硫/碳复合材料的密度非常小;此外，硫的反应是先溶解再沉积，所以电极上必须存在大量的液相传输通道。而现在大部分锂硫电池硫电极极片是不能压的，其体积能量密度非常低。对于乘用车来说，当能量密度达到一定值后，体积能量密度就更为重要了，因为乘用车没有那么多地方装电池。所以从这个意义来讲，至少在车用动力领域，锂硫电池是没有什么希望的。

当前生产的大多数电池都用于电动汽车，而不是消费电子产品，部分原因是汽车需要更多电池。特斯拉制造的最小电池组包含的能量与1666部 iPhone中的电池相同;一辆电动悍马需要7000部 iPhone电池组的能量。

要实现商业化应用，电池必须通过至少六种对电动汽车至关重要的不同措施才能纳入实用环节表，其中包括提供加速动力、每克重量存储大量能量以实现长距离续航、持续数千次充电和放电循环、在广泛的温度范围内运行以及在损坏时不易着火等等。此外，电池还不能太贵，因为它们的价格是电动汽车成本的主要驱动力。

马克·塔彭宁表示，现有的锂离子电池技术已经投入了大量资金和研发，以至于二三线的竞争对手几乎不可能赶上，除非它可以在现有设施内以几乎相同的方式制造。汽车制造咨询公司Munro & Associates的总裁科里·斯特本表示，按照汽车制造商的需求规模，将新电池技术商业化可能需要數十亿美元的投资，而这些投资必须以更高的初始成本来弥补。

位于加利福尼亚州圣何塞的电池初创公司 QuantumScape 的工人

德国茨维考大众汽车工厂底盘上的锂离子电池组

特斯拉早期的Roadster，包含的电池能量与1666部iPhone中的电池相同

虽然唱了大半篇的反调，但这并不是说有前瞻性的的新电池技术永远不会商业化。许多公司正在继续努力改进现有的电池技术，尽管他们倾向于不声称他们的技术是一项“突破”，Coreshell就是这样一家初创公司，它刚刚宣布获得1200万美元的A 轮融资。

汽车电池的一个大问题是冷却汽车所需的大量单个电池组。这对性能和安全都至关重要，并且占这些电池组体积和重量的很大一部分。根据Coreshell 公司首席执行官兼联合创始人乔纳森·谭的言论，Coreshell Technologies所研发特殊的纳米涂层可附着于电池的电极之上，以此减轻化学反应带来的电池容量下降的问题，这项科技还可以有效地提高电池的电压范围，并提高电池的能量密度。

此外，全固态电池被公认有望突破电化学储能技术瓶颈，满足未来发展需求的新兴技术方向之一。在电化学储能方面，目前锂电池占电化学储能比重达80%。根据CNESA数据显示，2020年电化学储能累计装机规模为3269.2MV，电化学储能在可再生能源并网配套等领域的需求有望迎来快速增长，固态电池发展前景明朗。

特斯拉的4680电池技术，在经过了一年多的“画饼”之后，终于接近实现了。3月初日本松下公司宣布，将在日本和歌山的工厂搭建两条新生产线，于今年3月底之前正式量产特斯拉的4680新型锂离子电池。

此前，特斯拉CEO马斯克就表示搭载4680电池的Model Y可能在今年第一季度顺利下线，如今看来他的判断大体没有出错。去年以来，动力电池原材料的价格经历了多轮上涨，也提升了消费者的购车成本，因此很多人对于更便宜、性能更好的4680电池都充满期待。

不过，或许第一代搭载了4680电池的车型并非最值得购买的。根据国外分析人士的爆料，特斯拉将在2022年到2024年量产三代4680电池，电芯单颗容量分别为98Wh、108Wh和118Wh。2024年的第三代4680电池，将实现12.39% 的体积能量密度提升和18.67% 的重量能量密度提升。对于没有迫切购车需求的用户来说，等到2024年购买更成熟的型号，或许是更合适的选择。