固態電池：能像口香糖一樣隨意彎折

楊海艷

本月中旬，真空吸塵器的發明者、英國戴森公司(Dyson)創始人詹姆斯·戴森將其首筆1500萬美元的投資投向了固態電池公司Sakti3，后者是一家成立於2007年的電池創業公司。

據戴森表示，Sakti3目前研發出的固態電池將擁有1100WH/L的能量密度。不僅是戴森，在過去的幾年裏，這家名為Sakti3的公司還收到過來自通用等多家企業的投資。

液態電池續航遇瓶頸

從1991年索尼公司將含有液態電解質的鋰離子電池帶入電子設備的應用至今，液態鋰電池已經成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術路線之一，但在詹姆斯·戴森看來，“如今的電池技術已經遇到一定的瓶頸”。

比如還沒上市的AppleWatch就被吐槽。12.8萬元的“土豪”價背后，被大認為最應提升的電池續航並沒有大幅突破，僅有18個小時。“這價格這續航，只能買的就是情懷……”網友如是表示，“用買輛車的價格去買塊表，醉了，而且每天都要充電哦。”

其實，不僅是可穿戴設備，包括智能家居，以及此前風靡一時的新能源車新秀特斯拉（Tesla），都正因電池續航的瓶頸而遭受質疑。近兩三年來，從硅谷走出來的車壇新秀Tesla可謂出盡風頭。時尚大氣的外形設計、科技感十足的內飾，而其不燒油、零排放的優勢更被認作為未來汽車行業的出路之一。但短短一年多時間，特斯拉已經從人人膜拜的神壇上走了下來。雖其外形夠拉風，環保概念也夠時尚，但即便續航里程達到了無車能及的500KM，電池電量一旦耗盡，也還真是寸步難行。可是，Tesla創始人及CEO馬斯克也很無辜，電池續航里程不足是業界都無法解決的首要難題，再在所有的新能源車中，特斯拉在續航里程上已經是冠軍了。

或許，如今阻礙電子業發展的最重要的問題之一，不是品本身技術，而是電池續航里程的提升。那麼，為什麼不能讓液態鋰電池的續航里程更長?

國內某新能源生企業的技術人員告訴《第一財經日報》記者，電池續航里程的長短在很大程度上取決於電池儲能能力即單位體積的能量密度。要提高電池的單位能量密度，一是提高工作電壓，二是提高電極材料的能量密度。當工作電壓只能在固定區域內，要提升電池能量密度，只能依靠對電極材料的能量密度提升。也就是，鋰電池的發展遵循“一代材料，一代電池”的規律。現有鋰電池正極材料一般有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，而負極材料一般為石墨、硬/軟碳、鈦酸鋰以及合金負極材料，這些材料的可挖掘空間已經並不大。

也就是，要大幅提升鋰電池的續航里程，除非在電極材料上能找到新的替代品。

固態電池的創新可能

不過，既然液態鋰電池的能量密度暫未能獲得大幅提升，那麼，有別的更具優勢的電池技術可以替代它嗎?

據彭博社報導稱，大汽車CEO馬丁·文德恩(MartinWinterkorn)日前就在斯圖加特舉行的一個新聞發布會上表示，大汽車計劃在今年上半年作出決定，是否將美國初創企業QuantumScape正在開發的新電池技術用於大的電動汽車上。

如果採用上述固態電池技術，大電動汽車的續航里程將達到700公里，超過特斯拉ModelS以及現有的所有新能源汽車。或許正因如此，早在2014年12月，大汽車公司收購了上述QuantumScape公司約5%的股權。

其實，不只是大。早在2010年，豐田就曾推出過續航里程可超過1000KM的固態電池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在試圖用固態電池來取代傳統的液態鋰電池。

傳統的液態鋰電池又被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(液態)。而鋰離子就像優秀的運動員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池的充放電過程便完成了。固態電池的原理與之相同，只不過其電解質為固態，具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態電池體積將變得更小。不僅如此，固態電池中由於沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設備上使用時，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節約了成本，還能有效減輕重量。

據其官方稱，Sakti3已製造出能量密度達1100瓦時/升的電池，這一能量密度几乎是目前鋰離子電池的2倍。美國佛羅里達大學的電池專家、材料科學教授凱文·瓊斯(KevinJones)認為：如果電池蓄電量能像Sakti3提出的那樣多，那麼電動汽車的購買和使用成本就有可能與普通汽車相同。

而且固態電池還有另一項優勢——在事故中損壞時不易爆炸或起火。要知道的是，在此之前，在新能源汽車領域與特斯拉同樣享有盛名的菲斯科，后來之所以會破並慢慢銷聲匿跡，在很大程度上就是因為其頻繁出現的電池起火事件以及其他故障。

此前，台灣輝能科技公司(ProLogium)就曾推出一款採用軟性電路板為基材的固態電池，其厚度可以達到驚人的2mm，相當於一小片口香糖的厚度，可以隨意摺疊彎曲，展開弄平整再進行使用。這麼一塊看似不起眼的電池，其容量可以達到1000毫安，而一個iPhone般大小的充電寶，其容量也就在5000毫安左右。

如果固態電池能夠得到商業化應用，大可以造出在續航上超越特斯拉的電動車，可穿戴電子設備也能夠擺脫電池技術的束縛，其外觀和形狀都可以起到驚人的變化。

商業化路途漫漫

加拿大Avestor公司也曾嘗試過研發固態鋰電池，最終2006年正式申請破。Avestor公司使用一種高分子聚合物分離器，代替電池中的液體電解質，但一直沒有解決安全問題，在北美地區發生過幾起電池燃燒或者爆炸事件。

Sakti3公司的聯合創始人兼CEOAnnMarieSastry對外表示，Sakti3公司的固態電池採用薄膜沉積技術進行生，這一技術也常用於平板顯示器和光伏太陽能電池的生，“將電池劈成兩半或者把電池放在高溫環境裏，但電池仍能繼續工作”，在她看來，Sakti3生的固態電池在安全上已經完全可以放心。

“開發新技術不會是一個無阻礙的路徑。我需要一個水晶球才能預測在開發過程中遇到的所有挑戰。英國人有句話叫‘stickyourneckontheline’,就是硬頭皮去嘗試一些新的和不同的東西。如果成功就太好了，但如果失敗，你已經在過程中學習，可以再繼續直到成功。”詹姆斯·戴森如此對《第一財經日報》記者評他在這次投資中可能會遇到的風險。

此前，豐田曾經表示，希望到2020年，能在新能源車上應用固態電池技術。但豐田並沒有將這一技術作為未來新能源的唯一出路，就在此前不久，它對外發布了首款量的氫燃料電池汽車。

“固態電池可能是未來電池技術的發展方向之一，但也許不是最好的。”上述新能源生企業的技術人員告訴記者，“包括燃料電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發展空間，而最終，要看哪種路線發展更快、更接地氣。”所謂接地氣，就是在商業化的規模和成本方面都能達到完美的平衡點。首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個行業和領域都有實現大規模應用的可能。

或許，現在最具考驗的地方在於價格。據記者了解，液態鋰電池的成本大約在200~300美元/千瓦時，如果使用現有技術製造足以為智能手機供電的固態電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。

Sastry表示，固態電池生成本居高不下的一個重要原因在於生效率低下。按照Sastry的規劃，Sakti3最終將會把電池的成本降低至100美元/千瓦時，不過，她並沒有給出最終的時間。

從理論的提出時間來看，固態電池並不是一個新的概念，但多年來，研發上的進展並沒有想象那麼快速。韓國三星的一位技術人員認為，即便Sakti3最終能做到成本上的降低，電池從實驗室到最終的量也需要不短的時間。正如液態鋰電池，在上世紀70年代，相關的理念和實驗認證就在齊頭併進地推進，但真正大規模的使用，已經是20世紀末了。插圖/呂知曉