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能續(xù)航百萬英里的電動汽車電池,可能被特斯拉發(fā)明了

時間:2019-10-15 23:11來源:未來汽車日報 作者:綜合報道
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Giacomo Bagnara
 
       2019年的諾貝爾化學(xué)獎揭曉后,約翰·古迪納夫的研究將人們的視線轉(zhuǎn)向了電池行業(yè)的發(fā)展,近期,特斯拉宣稱已經(jīng)發(fā)明出了能續(xù)航百萬英里的電池,可供一輛汽車行駛足足76年。埃隆·馬斯克的這項技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥硭璧臒o人駕駛汽車研發(fā)的關(guān)鍵。本文譯自寫作平臺Medium中原標(biāo)題為“Tesla May Have Invented a Million-Mile Electric Car Battery”的文章,本文作者Steve LeVine。
 
       自從愛迪生以來的一個世紀(jì)中,電池的世界夾雜著夸張和小謊言。美國大學(xué)和私人實驗室通常會宣布所謂的重要新飛躍,但當(dāng)攝像機消失之后,他們就會沉默了。
 
       很多人都對特斯拉的CEO埃隆·馬斯克存有懷疑,包括美國監(jiān)管機構(gòu)和華爾街,因為他總是會提出一些沒法實現(xiàn)的要求,有時還直接違反法律。但現(xiàn)在,這個讓人生疑的汽車制造商卻申請了一種電池系統(tǒng)的專利,這個電池可以保持續(xù)航一百萬英里,對于普通美國人來說,足足夠駕駛76年。
 
       曾經(jīng)有人需要這這么一輛車么?不清楚。但是如果你是馬斯克,那么你會發(fā)現(xiàn),未來會有一支車隊,可以在車主不使用的時候,轉(zhuǎn)變成為無人駕駛或是自動駕駛的出租車,他希望這支車隊將會成為特斯拉的一個新的巨大盈利點。
 
       歐美前沿的電池研究人員雖然對特斯拉這個系統(tǒng)的成本不是很確定,但有一份新鮮出爐描述續(xù)航百萬英里電池的學(xué)術(shù)論文卻是嚴(yán)謹(jǐn)而又令人信服。“它的結(jié)論是驚人的,”加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)教授Gerbrand Ceder這么說道。
 
       加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)教授Jeff Dahn是這篇論文的作者,他和特斯拉簽過合約。這篇論文主要提出了無人駕駛出租車,公共汽車和二輪半拖車的實質(zhì)性進(jìn)步。用有二十年壽命的網(wǎng)格電池,這些車只要20分鐘就能充好電。這些正是新電時代最大的野心,而一種新的鋰離子電池,正如如Jeff Dahn所說的,將大大恢復(fù)馬斯克在應(yīng)用尖端技術(shù)領(lǐng)域的聲譽。
 
       如果你是馬斯克,那么你會發(fā)現(xiàn),未來會有一支車隊,可以轉(zhuǎn)變成為無人駕駛或是自動駕駛的出租車
 
       在過去的四到五十年中,很少有發(fā)明能像鋰離子電池那樣對不起眼的電池行業(yè)產(chǎn)生影響。也正是這項技術(shù)使20世紀(jì)突破性的電子杰作——晶體管——擺脫了家庭和辦公室的電源線束縛,成為移動電子革命的引擎。鋰離子的心臟——陰極——于1981年由約翰·古迪納夫發(fā)明(當(dāng)時他在牛津大學(xué)任教,而現(xiàn)在是美國德克薩斯大學(xué)的教授),十年后,由索尼公司推向市場。像您現(xiàn)在閱讀這篇文章所拿的手機里,就肯定有古迪納夫的發(fā)明。從那以后,包括Jeff Dahn在內(nèi)的研究人員發(fā)明了三四個相互競爭的鋰離子配方,但它們卻都保留了古迪納夫的原始架構(gòu)。四十年后,古迪納夫的基本想法仍然是電池行業(yè)的金科玉律。
 
       關(guān)于鋰離子要了解的另一件事就是它與晶體管的區(qū)別。摩爾定律描述硅芯片大約每18個月就得將其功率翻倍,但電池沒有類似于摩爾定律的規(guī)則。如果鋰離子以硅的速度被提升了,那么到現(xiàn)在它可能幾乎已經(jīng)將化石燃料趕出了運輸業(yè),還能一并解決氣候變化的問題。自1981年以來,雖然鋰離子已有所進(jìn)步,但卻并沒有達(dá)到這個速度。
 
       十年前,鋰離子電池的成本超過$ 1,100/kWh,這是衡量能量密度的指標(biāo)。在當(dāng)時,美國能源部設(shè)定了$ 100/kWh,算是里程碑一樣的目標(biāo)。如果能達(dá)到,那么電氣設(shè)備將會和汽車就爭奪首要地位來一次正面交鋒。對于像我這樣年復(fù)一年在行業(yè)會議上聽到各種目標(biāo)的人來說,就很荒謬,因為我從沒有聽說過有哪個研究人員認(rèn)為這種想法是可行的。
 
       但是,根據(jù)可再生能源研究公司BloombergNEF的最新研究,感覺已經(jīng)差不多了。去年,成本已經(jīng)下降到平均$176/kWh。BNEF還表示,在五年之內(nèi),它將會降至100美元以下。
 
       在一定程度上,汽車制造商將節(jié)省下來的成本以更低的價格推向市場,那么電動汽車的銷量可能會激增。BNEF設(shè)想電動汽車制造商會做到這一點。到2040年,電動汽車將會因為汽油贏得這場戰(zhàn)爭:會有57%的美國乘用車將會銷售電子車,而且在全球范圍內(nèi),電動汽車將會占道路上所有行駛汽車的近三分之一。
 
       除了約翰·古迪納夫本人之外,在這個電動汽車時代,沒有一個人能比馬斯克和他的公司特斯拉更能發(fā)揮作用了。就在2008年馬斯克決定接管特斯拉之后,電動汽車便成為了當(dāng)今一個主要的嚴(yán)肅話題。四年前,Jeff Dahn(他自己是電池領(lǐng)域的那幾十個或十幾個最重要的思想家之一)決定要加入馬斯克的公司,一起做特斯拉的項目。他放棄了與3M長期獨家的商業(yè)合作關(guān)系,和特斯拉簽了一份五年的工作協(xié)議。
 
       在一封電子郵件中,Dahn將問題轉(zhuǎn)給了特斯拉,特斯拉沒有回復(fù)。但是在四月,馬斯克又說了幾句明顯是彌天大謊的話:因為一系列小錯誤就遭到了華爾街的攻擊——和Joe Rogan抽大麻的時候,在推特上討論了將特斯拉私有化的計劃,就錯過了一個接一個特斯拉主流車型Model 3的生產(chǎn)目標(biāo)——馬斯克脫口而出說,到明年年底,特斯拉將擁有一個續(xù)航一百萬英里的電池和上百萬的無人駕駛出租車。
 
    馬斯克表示,將深入研究,他準(zhǔn)備把電池安裝在特斯拉Model 3里,這些汽車也會有可以連接到自動出租車網(wǎng)絡(luò)的必備軟件。如果特斯拉車主想要在工作或閑逛時賺外快,那么就可以讓自己的汽車作為無人駕駛出租車投入使用,其中25%至30%的收入給特斯拉,許多大型高科技公司基本都使用這種盈利模式。馬斯克說,司機擁有其他任何一輛汽車都會非常興奮,因為這樣,特斯拉將會獲得一個豐厚收入的新渠道。
 
       由于幾乎沒有其他汽車制造商想在十年甚至也可能永遠(yuǎn)不會生產(chǎn)出完全自動駕駛的商用汽車,因此馬斯克的宣傳立即就招來了質(zhì)疑聲。事實證明,要使無人駕駛汽車真正保證安全,尤其是在無法預(yù)測的人類社會中,面對的挑戰(zhàn)比幾年前大多數(shù)人想象的要艱巨得多。
 
       但是當(dāng)時雖沒有人這么想過,但這次馬斯克的想法卻不是一般的夸夸其談。去年八月,特斯拉已經(jīng)為兩項Dahn的發(fā)明申請了臨時專利,兩項發(fā)明都涉及百萬英里電池(臨時專利是在真正完成一項發(fā)明之前所提出的,有一年的時間來完成它)。9月12日,也就是在Dahn論文發(fā)表的幾天之后,特斯拉就表示這項發(fā)明已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,并申請了兩項專利。
 
       在這個宣言中,至少在電池領(lǐng)域,使馬斯克擁有一些可信度的主要原因就是Dahn的存在。Jeff Dahn是一位膽大心細(xì)的物理學(xué)家,從不胡說八道,反而是呼吁做過類似事情的同行們一起研究。換句話說,他是和馬斯克完全相反另一面的馬斯克。
 
       多年以來,Jeff Dahn一直在講“可以永久使用的電池”。對于他的同行來說,在目前人類平均壽命的大環(huán)境下,Dahn就剛好已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這項技術(shù)。
 
       這篇論文發(fā)表在《電化學(xué)學(xué)會雜志》上,由Dahn和13位合著者共同發(fā)表,內(nèi)容驚人的全面,措辭還有些傲嬌。它在第一行就明確提出會為將來的研究奠定一個“基準(zhǔn)”,這個基準(zhǔn)是同行和公司用在所有類型電池研發(fā)生產(chǎn)的基準(zhǔn)。但是,Dahn有著“不愛講廢話”的名聲,他們不僅公開了數(shù)據(jù),還讓同行們復(fù)制其研究結(jié)果。他們以一種不尋常的方式將仍然工作的電池單元附加到條形碼上,并使它們可以在線追蹤。
 
       為了這個事情,我聯(lián)系了六個研究人員,他們似乎都對Dahn的假設(shè)不以為然。但就現(xiàn)在的情況看來,Dahn似乎對能帶領(lǐng)這個領(lǐng)域發(fā)展地更好感到十分滿意。一位不愿意透露姓名的研究者說Dahn的電池沒準(zhǔn)兒“真的可能成為標(biāo)準(zhǔn)。”
 
       眾所周知,特斯拉發(fā)展十分迅猛,但就像馬斯克之前承諾的那樣,一年之內(nèi)仍然很難看到人們?nèi)绾螐腄ahn的論文和專利來獲取駕駛的便利。
 
       現(xiàn)在這個技術(shù)受到歡迎的一個原因可能是因為論文沒有描述全新的內(nèi)容,只是Dahn和電池領(lǐng)域的其他人在很大程度上已經(jīng)開發(fā)了一段時間的最佳實踐的綜合結(jié)果。
 
       當(dāng)然,除此之外它也是有創(chuàng)新的。卡耐基梅隆大學(xué)的教授Venkat Viswanathan認(rèn)為,Dahn的主要進(jìn)步在于一個“秘密武器”——那就是電解質(zhì),它是促進(jìn)離子在兩個電極之間運動的重要液體。Dahn向它里面添加了乙酸甲酯等化學(xué)物質(zhì),就可以實現(xiàn)快速充電而又不損壞電池的結(jié)果。
 
       并且,為了實現(xiàn)生活的跨越式發(fā)展,Dahn從根本上改變了電池的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的電池在充放電循環(huán)中易于破裂,但是,當(dāng)擴大構(gòu)成陰極的晶體時(將相對較小的多晶顆粒換成較大的“單晶”),裂紋就會減少甚至消失。“單晶晶體更堅固,”英國法拉第學(xué)會程序管理負(fù)責(zé)人Allan Paterson這么說道。
 
       眾所周知特斯拉發(fā)展十分迅猛,但就像馬斯克之前承諾的那樣,一年之內(nèi)仍然很難看到人們?nèi)绾螐腄ahn的論文和專利來獲取駕駛的便利。
 
       伊利諾伊州電池投資公司Volta Energy Technologies的負(fù)責(zé)人Jeff Chamberlain表示,成功擴大電池規(guī)模的關(guān)鍵是Dahn的方法所需要的花費是多少,這是電動汽車商業(yè)化以及利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電的核心問題。一位研究人員告訴我,Dahn的方法所需的成本可能比目前的電池高15%至20%,但是隨著百萬英里電池生產(chǎn)規(guī)模的擴大,這種成本差距可能會縮小,尤其是當(dāng)其他汽車制造商采用這種方法的時候會更加明顯。換句話說,這正是特斯拉想要的。
 
       這是電池化學(xué)本身的一個中心問題。電池似乎并不能點燃大多數(shù)人的激情,但對于馬斯克來說,確實可以。在這種情況下,他可能是地球上唯一使用叫作NCA電池配方的電動汽車制造商。在2010年,我直接問過馬斯克為什么不改用NMC,這是大家都在用的一個相對比較有競爭力的配方。他明顯開始生氣了。他說,如果他負(fù)責(zé)通用汽車的電動汽車計劃,他要做的第一件事就是將NMC改為NCA。
 
       問題在于Dahn是NMC之父,而且他也確實很偏愛NMC。NMC是這篇論文的核心所在,顯然這絕非偶然。為解決這個問題,Dahn把NMC作為解決馬斯克提出的目標(biāo)的解決方案——出租車和二輪半拖車。Dahn建議道,NMC甚至可以與當(dāng)前特斯拉使用的金屬圓柱形電池兼容。
 
       我向一些研究人員詢問了二人角力的情況下會發(fā)生什么。他們的回應(yīng)都很像,差不多都會說:“過去是過去,現(xiàn)在是現(xiàn)在:如果埃隆·馬斯克能夠生產(chǎn)出一百萬英里的電池,自動駕駛出租車和快速充電也不會因為沒有NMC而退化,他到時候會改變觀點的。”
 
       確實,在特斯拉觀察家Fred Lambert發(fā)表的一份報告中,提到韓國的《電子報》表示,LG Chem將為在中國銷售的特斯拉Model 3s提供NMC電池。如果是真的話,這份報告為馬斯克的野心又開拓了新的維度——如果他可以占領(lǐng)很大一部分的中國電力市場,他就會對NMC保持一個比較開放的態(tài)度。
 
       總之,Dahn是個難得能給馬斯克帶來好消息的人。“我們知道電池已經(jīng)達(dá)到一個很長的使用壽命,而且設(shè)計也非常好。”伯克利大學(xué)教授塞德說:“這是第一個證據(jù),證明這個事情其實比我們想象的要好得多。”
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 動力電池 特斯拉 電動汽車電池
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