現(xiàn)在要為你的智能手機或特斯拉Model3充電，沒有什么比鋰離子電池更好的了。自1991年推出以來，可充電鋰電池一直是日常科技設(shè)備和電動車的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，世界上有300多萬輛電動汽車使用鋰離子電池。但隨著世界向電動汽車的未來邁進(jìn)，它需要比鋰離子電池更高效的東西來跟上步伐。“鋰電池現(xiàn)在幾乎是已經(jīng)碰壁。如果你真的想增加能量密度，就必須采用一種完全不同的模式。”更高的能量密度意味著電池更便宜、更輕和更長的續(xù)航里程。

幸運的是，一些電池初創(chuàng)企業(yè)正試圖生產(chǎn)出更好的電池，這些電池成本更低、能量密度更高、性能更好，適用于增壓工業(yè)產(chǎn)品和消費技術(shù)，以及充電速度更快、行駛距離更長的電動汽車。從今年開始，幾家初創(chuàng)企業(yè)將把他們的電池推向商業(yè)市場。這些企業(yè)認(rèn)為，與目前的鋰離子電池技術(shù)相比，它們的電池技術(shù)有了很大進(jìn)步。

SilaNanotechnologies的首席執(zhí)行官GeneBerdichevsky說：“我們花了8年時間，大概進(jìn)行了3.5萬次材料合成，才有了商業(yè)化的東西。”Sila只是幾個電池初創(chuàng)企業(yè)之一，最近收到重大資金繼續(xù)調(diào)整電池技術(shù)。去年，位于加利福尼亞的公司阿拉米達(dá)總部承擔(dān)了7000萬美元的D輪融資，來自包括西門子全球風(fēng)險投資公司在內(nèi)的幾個投資者，用來建立它的第一個商業(yè)硅陽極電池生產(chǎn)線。

這距離埃隆-馬斯克旗下特斯拉的第七員工、機械和能源工程師伯迪舍夫斯基（Berdichevsky）成為該公司聯(lián)合創(chuàng)始人剛好十年。伯迪舍夫斯基曾經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了特斯拉跑車（TeslaRoadster）電池系統(tǒng)的開發(fā)。TeslaRoadster跑車曾經(jīng)被馬斯克旗下SpaceX發(fā)射送入太空軌道中。

投資回報即將到來

目前鋰離子電池的新變化已經(jīng)花了大約10年的時間來研究。直到現(xiàn)在，初創(chuàng)企業(yè)才開始為商業(yè)聚光燈做準(zhǔn)備，這一推出至少需要幾年時間，甚至可能還要整整十年。

“一輛汽車所需的材料相當(dāng)于1萬部智能手機或1000塊智能手表，”伯迪舍夫斯基說。“我們將從消費設(shè)備開始。在未來五年，我們將擴大與汽車合作伙伴的規(guī)模。”

Sila目前的汽車合作伙伴之一是寶馬。

目前的鋰離子電池在材料和物理能量密度方面受到限制。新電池技術(shù)旨在提高鋰離子電池的安全性和能源效率，因為這樣即便是電池過熱或損壞，也不會有起火的風(fēng)險。

每個鋰離子電池由四個基本部分組成：正極和負(fù)極（每個鋰離子電池兩端的電極）、液體電解質(zhì)和分離器。當(dāng)電解液攜帶鋰離子通過隔膜進(jìn)出陽極和陰極時，就會產(chǎn)生正負(fù)電流。正是這個過程產(chǎn)生了儲存在電池里的電量。

如果組成陽極和陰極的化學(xué)物質(zhì)——分別是石墨和某種金屬氧化物——溫度過高，就會破壞物理分離器，從而暴露出高度易燃的電解質(zhì)。回想一下三星GalaxyNote7手機爆炸的情況，你就會發(fā)現(xiàn)這個問題。目前鋰離子的最大能量密度約為每千克260瓦時；相比之下，目前大多數(shù)電動汽車每千克可行駛220到250瓦時。

次世代的繁榮

固態(tài)電池是一種新的電池技術(shù)，它不僅用鋰金屬制成的陽極取代石墨陽極，還用一塊固體（通常是陶瓷、玻璃或阻燃聚合物）代替液體電解質(zhì)和隔膜。采用這種方法的是總部位于科羅拉多州的固態(tài)電池制造商SolidPower，該公司在2018年獲得了2000萬美元的A輪融資。據(jù)該公司高管稱，他們正在開發(fā)的電池至少能增加50%的能量密度。

神秘的斯坦福大學(xué)（StanfordUniversity）的子公司QuantumScape也在與大眾汽車合作開發(fā)固態(tài)電池。去年大眾增加了1億美元的投資。PitchBook的數(shù)據(jù)顯示，這家總部位于圣何塞的初創(chuàng)公司估值17.5億美元。

根據(jù)宣布這筆交易的新聞稿，QuantumScape的電池一次充電可以讓大眾的E-Golf行駛466英里（目前的行駛里程為186英里），使其能夠與傳統(tǒng)天然氣動力汽車的行駛里程相媲美。大眾汽車表示，QuantumScape的電池應(yīng)該比目前的鋰離子電池充電速度更快、重量更輕。

“鋰電池現(xiàn)在幾乎是已經(jīng)碰壁。如果你想增加能量密度，你必須采用一種完全不同的模式。”

-YifeiMo，馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程教授

不過，正如日產(chǎn)一位副總裁去年所說，固態(tài)電池可能要到下個10年的某個時候才能全部上市。甚至QuantumScape的新聞稿也宣布了2025年的商業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。固態(tài)技術(shù)的更長的時間表是解決當(dāng)前電池工廠如何建立。

它們的設(shè)計初衷是用液體電解質(zhì)來處理鋰離子電池的生產(chǎn)，而改用固體材料則不僅僅是更換工廠車間的生產(chǎn)流程那么簡單。“這是一項處于商業(yè)化非常、非常早期階段的新興技術(shù)，”SolidPower的業(yè)務(wù)開發(fā)主管迪恩-弗蘭克爾（DeanFrankel）說。“從擴大規(guī)模的角度來看，這只是需要時間。”

盡管一些初創(chuàng)企業(yè)正致力于完善和擴大固態(tài)電池的規(guī)模，但像SilaNanotechnologies這樣的其他公司則希望利用目前的鋰離子制造工藝，將電池快速推向市場。Sila不是制造固態(tài)電池，而是用硅材料代替石墨陽極，硅材料吸收鋰離子的速度是石墨的四倍。

更重要的是，大多數(shù)帶有石墨陽極的鋰離子電池的充電率（C率）低于1%。用硅陽極開發(fā)新電池的初創(chuàng)企業(yè)表示，他們的電池的C率要高得多，這是實現(xiàn)電動車未來的一個關(guān)鍵區(qū)別，因為大多數(shù)人不愿意等一個多小時才給汽車充電，而給汽車加油只需幾分鐘。

Enevate首席執(zhí)行官羅伯特·a·蘭戈（Roberta.Rango）表示：“我們可以維持比傳統(tǒng)石墨電池快10倍的充電速度。”這家總部位于加州歐文的公司正在研發(fā)一款采用硅陽極的下一代鋰離子電池，該公司獲得了1.11億美元的資金，其中包括韓國電池公司LG化學(xué)去年的一筆投資。

Rango表示，Enevate的電池研發(fā)工作已經(jīng)進(jìn)行了10年，距離該技術(shù)的首次商業(yè)應(yīng)用大約還有一年半的時間，最有可能是在電動自行車和小型摩托車上。

不過，硅陽極電池有一個潛在的缺點：硅材料膨脹，這意味著每次充電都會導(dǎo)致電池變質(zhì)。

Berdichevsky和Rango都表示，他們各自的公司已經(jīng)解決了這個問題。蘭戈表示：“硅確實存在膨脹現(xiàn)象，這一直是該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。”“在我們的電池中，我們已經(jīng)能夠控制膨脹。我們的電池規(guī)格符合電動汽車的要求。”這些需求？這種電池在充電和放電1000次后，充電率可以達(dá)到80%。

這些初創(chuàng)企業(yè)的漫長發(fā)展歷程表明，推動電池技術(shù)的發(fā)展是多么困難。雖然電動汽車系列的改進(jìn)肯定是更好的電池的主要影響之一，但目前鋰離子電池的后續(xù)產(chǎn)品很可能在更小的產(chǎn)品中找到。

伯迪舍夫斯基說：“這必須發(fā)生的一代人的技術(shù)變革。在現(xiàn)有電池的150年里，已經(jīng)有四種與商業(yè)相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入市場。每次使用這些新的化學(xué)試劑，轉(zhuǎn)變會變得更難。”