下一种电池？

　　锂离子很早就有了幸运的突破。继任者将需要数十亿美元才能赶上--如果他们不先熄火的话。
　　＂世上有骗子，该死的骗子，还有电池狂人＂——或者类似的说法——这句格言通常被认为出自美国电子奇才托马斯·爱迪生之口。
　　爱迪生轶事中的挫折在今天仍然有效，因为几乎每个月都会出现电池革命的承诺，而且几乎每个月都有电池革命的到来。
　　例如，今年（2020年）10月，The Register遇到了QuantumScape的首席执行官贾格迪普·辛格(Jagdeep Singh)。QuantumScape是一家电池初创公司，号称拥有一种新型电池，可以让电动汽车的行驶里程翻倍，只需15分钟充电，而且比主导可充电市场的锂离子电池更安全。
　　辛格在一份录制的声明中说：＂10年前，我们开始了一个大多数人认为不可能实现的雄心勃勃的目标。＂＂通过不知疲倦的工作，我们开发出了一种新的电池技术，它与世界上任何其他技术都不同。＂
　　辛格可能会推翻爱迪生的格言，并提供更好的电池，让全世界都清楚地认识到这一点。但要做到这一点，他必须打破锂离子电池占据主导地位的30年趋势。
　　为什么这个行业会停滞不前？简单地说，化学还没有找到制造更好电池的方法。
　　如果你想要一个突破，它必须来自化学的根本变化。
　　＂电池的基本概念自18世纪以来就没有改变过，＂悉尼大学化学家、电池开发公司Gelion Technology的创始人兼董事长托马斯·马斯迈耶教授说。Maschmeyer解释说，所有的电池都由三个主要组成部分组成：一个正极；一个负电极；电解质在两者之间起到催化剂的作用。＂这三个因素不能改变。因此，如果你想取得突破，就必须从化学的根本变化中获得。＂Maschmeyer说。
　　化学让生活更美好
　　电池研究人员已经提出了一个周期表的价值替代化合物，可能超过锂离子电池。
　　这些主要分为两类。首先是试图超越锂电池能量密度的电池，如固态电池、锂硫电池和锂空气电池。另一种是材料更为丰富的电池，如钠离子电池、铝离子电池、镁离子电池等。
　　但蒙纳士大学材料科学与工程教授Jacek Jasieniak说，改变电池的化学成分说起来容易做起来难。他将改变电池中的一种元素与改变药品中的一种化学物质进行了比较。他说：＂解决一个问题往往会加剧另一个问题。＂
　　要理解为什么改变电池的化学成分如此困难，可以思考电池通过一系列化学反应产生能量。例如，锂离子电池使用石墨阳极、金属氧化物阴极(通常是钴、镍、锰、铁或铝)和有机溶剂中的锂盐作为电解质。
　　当锂离子电池通电时，石墨阳极与电解液中的锂发生反应，产生电子并聚集在阳极周围。阴极处的另一种化学反应，使其能够吸引这些电子，从而产生电子流——换句话说，就是电。科学家称这个过程为还原-氧化过程，或者更普遍的说法是＂氧化还原＂反应。
　　对于消耗性电池，比如你的锰碱性原子吸收电池，这种电子流动只需要在一个方向上工作。一旦所有的电子从电池的一端转移到另一端，电池就没电了，我们中的许多人就会买更多的电池，尽量不去想这个由金属和电解质组成的小圆柱体到哪里去了。
　　想要的：倒档
　　但对于可充电电池，这个过程必须是可逆的。这就意味着电子在从阳极到阴极之间来回穿梭时，必须能够以相反的方式进行同样的过程，而不会消耗或破坏活性化学物质。
　　在锂离子电池中，氧化还原反应表现得非常好。在电池材料开始退化之前，电子可以在两个方向上移动数千次。但这种反应并不完美；充放电循环产生微小的金属须，称为＂枝晶＂，可以通过电解液并缩短电池寿命。在极少数情况下——比如三星的盖乐世Note 7——锂电池会着火。但三星承认，它为这款命运多舛的平板手机请教了很多电池专家，但他们都搞砸了。许多专家认为锂离子电池通常比汽油发动机更安全。
　　但莫纳什大学的Jasieniak说，并不是所有的化合物在循环时都表现得那么好。他以镁离子电池为例，镁离子电池的能量密度与锂离子电池的能量密度相当。镁比锂更容易找到和开采。但它的电池质量很差。
　　Jasieniak说：＂适用于锂的化学反应并不适用于镁，也不适用于钠、铝或其他任何系统。＂＂在锂离子电池中，锂通过一种称为插层的过程扩散并稳定在石墨阳极内。但镁元素却不能以同样的方式扩散。＂
　　如何稳定阳极中的镁仍然是一个谜。＂镁离子也会在阳极界面发生反应，形成固态电解质界面，这极大地阻碍了镁离子在电极和电解质之间的扩散，＂Jasieniak说。＂它的形成会导致器件性能的迅速下降。＂
　　阻碍镁的问题并不罕见。许多可替代的电池化学物质都可以充电或再充电。但它们两者都做得不完美。
　　镁离子电池的扩散问题意味着它们无法储存大量能量。锂空气电池的能量密度很高，但稳定性有问题。钠离子电池是由地球上储量最丰富的元素之一制成的，但其能量密度非常低，对于消费电子产品或电动汽车几乎毫无用处。
　　锂硫电池带来了希望
　　一种新的电池化学物质已经进入市场，那就是锂硫电池。这项技术让许多人感到兴奋，因为它有望达到传统锂离子的5倍能量密度。
　　但是当锂硫电池循环时，锂和硫发生反应，产生多聚硫化锂，这种锂溶解性很强，可以扩散到电解液中，并能穿过分隔阴阳极的隔膜。与电池的氧化还原反应不同的是，聚硫化锂在阳极上形成了一层涂层，使阳极钝化，并迅速降低其容量，直到最终停止工作。
　　这个被称为聚硫化物洗牌的过程并不是什么新鲜事。这让科学家们在二十多年里摸不着头脑。但是，尽管该领域进行了大量工作，但在商业上可行的解决方案仍然很难找到。英国电池初创企业Oxis Energy已经生产了锂硫电池，并兑现了能源密度是传统锂离子电池五倍的承诺。
　　但如果你想知道为什么你在商店里看不到它们，那是因为它们的工作时间只有锂离子电池竞争对手的五分之一左右。
　　即使有一天科学家们真的找到了一种化合物，可以制造出能量密集且寿命长的可充电电池，将这些技术推向市场也需要数年时间。
　　固态是蒸气
　　要理解其中的原因，请考虑一下固态电池，这是一项许多业内人士认为是电池技术＂圣杯＂的技术。这些电池背后的基本理念是用金属锂取代液态锂电解质。研究人员认为，这样做将使电池的能量密度更高——它更小，因此重量更重——而且更安全，因为金属锂不像液体锂那样容易着火。
　　固态电池也有自己的问题。虽然让电子在液体电解质中穿梭相对简单，但在固体电解质中做到这一点要困难得多。＂这就像把盐放在石头的一边，然后希望它会以某种方式在另一端出现。＂这在室温下是非常困难的，＂Maschmeyer说。
　　一些公司，如QuantumScape和丰田，声称已经完善了这一过程。但通常制造过程非常复杂，在商业上不可行。例如，丰田的固态电池需要极高的温度和大气压，这使得大规模生产成本高昂。
　　索尼的幸事
　　还有一个额外的复杂的问题是，如何扩大这种技术的规模。锂离子技术很幸运——它是在索尼开始生产cd来取代磁带的时候出现的。这种转变使得该公司的许多薄膜工厂处于闲置状态。当索尼意识到它可以利用这些薄膜工厂生产锂离子电池时，该公司能够重新利用现有的基础设施，而不需要投入大量的初始投资。锂离子电池几乎一开始就有了大规模生产的准备。
　　人们想听到的是，＂这是一种新型电池，它与我们现有的电池完全不同，但可以解决我们所有的问题。＂这在这个行业是不会发生的。
　　前特斯拉电池工程师、电池创业公司Sila Nanotechnologies首席执行官吉恩·别尔迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)表示：＂这样做的后果是，你不能再使用过去30年开发出来的任何电池工厂或工厂技术。＂＂你需要从头开始，因为你们根本就不兼容。＂
　　他解释道：＂如果你要制造一种新的阳极，你只需要为制造阳极的设备提供资金，其余的你可以使用世界各地现有的电池工厂。但如果你想要打造一个全新的电池架构，你就必须自己制造所有新的设备部件。初始工厂的成本，即使是一个婴儿大小的工厂，也将是数十亿美元。＂
　　相比之下，随着电池制造商扩大生产能力，锂离子电池的价格在过去30年里大幅下跌。1994年，最常用的18650锂离子电池每1100毫安时的制造成本超过10美元。到2001年，价格降至3美元，容量跃升至1900。如今，这些电池可以提供超过3000毫安时的电流，而且成本继续下降。
　　锂时代是一个重要的时代
　　因此，电池研究人员认为，锂离子电池至少还有10年的主导地位。
　　电池研究机构凯恩时代(Cairn ERA)的山姆·贾菲(Sam Jaffe)说：＂电池行业的一切都与成本有关。＂＂成本是规模的函数：你需要大型工厂和成熟的供应链。这不是一夜之间就能做到的。锂离子电池花了15年时间才从一种高度专业化的产品发展成为更大众化的产品。任何即将到来的电池技术都是如此：它需要几十年的时间。＂
　　Jaffe仍然对任何有望在未来十年彻底改变整个行业的新电池技术持怀疑态度。他说：＂电池行业并没有突飞猛进的发展。＂＂它的进展是缓慢的。但是随着时间的推移，英寸变成英尺，然后变成英里。这就是电化学的本质：它很难，而且需要很长很长的时间。人们想听到的是，＂这是一种新型电池，它与我们现有的电池完全不同，可以解决我们所有的问题。＂这在这个行业是不会发生的。＂
　　他也许是对的。但对电池制造商来说，问题在于这种一英寸一英寸的进展需要时间和金钱。企业对新电池技术的大肆宣传，往往是为了保持投资者的兴趣而做出的孤注一掷的尝试。然而，很少有投资者愿意等上10年，等待化学家解决棘手的问题，因为一家软件初创公司只用了一半时间就拥有了10亿用户。
　　这使得更好的电池成为政府想要资助的东西。日本、中国、韩国和美国都向研究下一代电池的研究人员投入了资金，但数额不大。例如，日本的锂离子电池技术与评估中心联盟(简称Libtec)共分享了25家公司总计9000万美元的资金。在美国，联合能源研究中心(Joint Center for Energy Research)只投入了1.2亿美元。相比之下，2010年代初，当中国希望加强本土芯片制造设施时，它向本土企业投资了1500亿美元。
　　一些初创公司采取了更为谨慎的做法。他们认为，不要重新发明轮子，只要改进它。Berdichevsky的公司Sila纳米技术正在开发一种新型的硅基锂离子电池负极，这种电池可以在不颠覆现有制造工艺的情况下显著提高电池的能量密度。其他人正在寻找用石墨烯取代阳极的方法，据说石墨烯可以帮助该技术储存更多的能量，并且充电速度提高十倍。
　　不过，尽管锂离子电池继续占据主导地位，但业界也逐渐意识到，锂离子电池并不是一刀切的解决方案。Jasieniak说：＂锂离子电池是一种高能量密度的电池解决方案，但如果你不需要高能量密度，那么它可能不是适合你应用的技术。＂
　　他承认，许多替代技术＂还没有成熟＂。但锂离子电池10年前也不是这样。＂我们通过电化学技术、界面、成分变化和电解质的进步，一步一步地改进锂离子。我们对充放电过程以及如何控制的理解与我们刚开始的时候完全不同。所以，我们有机会在其他技术上做同样的事情。＂
　　下一个宣称发明了改变世界的电池的实验室应该做些什么呢？也许托马斯·爱迪生在这方面有发言权。？
　　英文来源：theregister.com
　　产业前沿编译
　　写在译后：
　　以上是电池专业的研究分析，说的应该就是化学键的局限性。注意，是局限性。
　　杀鸡焉用牛刀、或大炮打麻雀——大材小用。这是我们常用于批判一种极其不恰当的方式的歇后语。
　　如何和原文关联呢？
　　（1）一辆轿车，含电池重量竟然有一吨，相当于10几个成年人的重量，这合理吗？这车是用来拉电池还是载人的？何况现在还想用于长途大货、拖车。
　　（2）相距遥远的十几个地方，为生产电池的几种元素采矿，还面临着矿石资源的不确定性，需求未来的不确定性。一点都不符合经济性、价值观的常规理念。
　　此外——
　　（3）这种减排的合理性安在？全球、全产业链、产品全生命周期的科学可行性报告和应用试点报告呢？
　　（4）安全性问题——质量缺陷就会导致重大问题出现。可以很通俗地理解，大型电池包比油箱的危险性更大。