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要做“超级电池”的,不仅仅是特斯拉

2015-06-24 09:29:11      来源:爱范儿       

特斯拉电池锂电池

【摘要】身边不用电的东西越来越少,充电线越来越多,“电池的续航”已经成为了全球范围内的一个现象级的痛点。

身边不用电的东西越来越少,充电线越来越多,“电池的续航”已经成为了全球范围内的一个现象级的痛点。要解决这样的痛点,就需要一场现象级的革命,QZ 一篇巨长的文章详述了这场革命的诞生。

主角是华人科学家蒋业明,他是 2000-2010 年全球顶尖一百材料学家名人堂上的科技名人,全球总排名 66 位。他创办的锂电池企业 A123 于 2009 年 IPO,尽管短短三年后公司宣告破产,丝毫无损蒋业明在业界的声望和地位。

蒋业明其人

蒋业明出生在台湾,父亲是一名机车工程师。6 岁时,蒋业明的父亲将他带到了美国。白驹过隙,他被 MIT 录取,在学校结识了日美混血的发妻,于是扎根在了 MIT。蒋业明在 MIT 的平台上与风投资本合作,先后创办了 4 家初创公司,其中最近的一家就是做电池的 24M。

如今,57 岁的蒋业明留着灰白寸头,喜欢穿蓝色长袖衬衫。说话轻柔,总是在一句话结尾时露出两排白色的牙齿。他现在住在波士顿周边的一个农场,养着蜜蜂和鸡,有时也去附近打猎捕鱼。

磁带生产线竟然能用来生产锂电池

在美国密歇根州,XALT 运作着一家最现代、高效的电池厂,投资了 3 亿美元;特斯拉在内华达州的锂离子电池厂更是花费了 50 亿美金。尽管生产商不愿透露,分析师称锂离子电池组的成本大约是 500 美元/千瓦时,那 500 美元里,有 150 美元用在原材料上,另有 200 美元用在生产上。而汽油的单位成本仅为电池的四分之一。

电池生产的高昂成本是蒋业明的创业基础,但电池厂为什么这么大,还得回到锂离子电池的出身。这个出身竟与磁带有着千丝万缕的联系。

1990 年代初,基于磁带和镍镉电池两项科技,索尼做出了磁带摄像机(Camcorder)。但是索尼明白,消费者需要摄影,更需要便携的设备来实现这个功能。于是,研发更小、更强的电池成为了当务之急。1991 年,索尼将第一款锂离子电池推向商用,两年后发布的 TR1 8 毫米摄像机也就成为了世上第一款使用锂电池的摄像机。

随着锂电池的需求增长,如何大规模生产锂电池成为了索尼面临的新挑战。此时,索尼家的另一个产品,体积更小的光盘,开始侵吞磁带的市场。于是,索尼工厂里大批的磁带生产设备开始闲置。生产磁带是一套复杂的工艺:长长的生产线给胶片裹上磁性泥浆,干燥后再切成一条条细长的带子,卷起来。

似乎天意如此,这套闲置的设备竟然可以用来生产锂电池。

这套设备和操作设备的人,成为了世界的锂电池先驱。直至今天,锂电池的生产流程与当年并无太大不同。但摘去传奇故事的光环,这些设备其实非常的笨拙——块头大,效率低,因此电池至今仍无法撼动石油的地位。

最初的灵光一现

最初,蒋业明提出的解决方案是“液流电池”。


液流电池系统中通常包含两个容器,其中储存着液体化学溶剂,形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分为发电区,以一个薄膜隔开。这两种化学溶剂,从它们所在容器流动到发电区,隔着薄膜产生离子交换,进行放电或储电。

增加锂电池的容量有两条路:一是增加电池芯数量,二是增加能量密度。增加电池芯数量的话,镍和钴等金属的消耗将同比例增加,边际成本很高。而要增加液流电池的容量只需连接更大的液体仓,成本很低。缺点就是体积太大,因为液流电池的能量密度远远低于锂电池。

蒋业明想,为何不用锂电池的化学成分来造液流电池呢?这种结合的产物将拥有比液流电池更小的体积,比锂电池更低的生产成本。于是他把这个课题交给了一位本科生 Mihai Duduta,仅仅一个月后,Duhata 拿出了第一个工作原型。如此惊人的速度让所有人吃了一惊,蒋业明随即向投资人展示了原型,并获得了 1250 万美元的投资。有了弹药,24M 开工了。

只是,画面太美,世界把 24M 当成了挑战风车的唐吉坷德。

新概念走向死胡同

24M 的一个小实验吸引了他们的注意力。蒋业明要求团队生产一些锂离子静态电池作为对照,结果非常令人意外。他们用液流电池的泥浆制作了一些静态电池,并对它们进行数百次的充放电,电池容量竟然惊人地稳定。这一现象让一些年轻的员工,包括立下汗马功劳的 Duduta,对液流电池产生了怀疑。这些年轻人不像蒋业明那样痴迷于液流电池,他们开始认为静态的电池才是正确的出路。

24M 液流电池的成败,取决于能否找到合适的储液罐尺寸,来使液流电池的生产成本降到静态电池(static battery)之下。而直至 2010 年末,团队仍然没有找到这个“盈亏平衡点”。两派观点各执一词,蒋业明不认为“平衡点”是个问题,而他多年的合作伙伴 Craig Carter 却坚持要找到这个平衡点。Carter 招来一个小伙子,Jeff Disko,以不找到不罢休的精神,开始死磕各项参数。

接下来的两周时间里,Disko 加班加点对数据进行整理,Carter 则做了个软件,用于对电池参数进行可视化展示。两周后,他们终于找到了那个平衡点。结果是,要与化石能源竞争,锂离子液流电池将需要一个巨大的液流仓。要多大?大概相当于一座核电厂那么大。

这样的结果,不但 Carter 和 Disko 不敢相信,对于整个团队来说都是难以接受的。他们反复对数据进行核对,“不可能”的答案反复呈现。于是 2011 年初,他们举行了一次会议,会上他们向团队展示了研究结果:除非是要为一座城市供能,否则还是用静态电池比较划算。

假如没有磁带,人们将怎样生产锂电池?

与许多初创公司一样,当初灵机一动的点子都会死在商业化的道路上。开完会两天后,蒋业明宣布放弃液流电池,公司将研发一种静态电池。24M 把做过的事情归零,思绪回到了锂电池诞生的地方:如果索尼当初没有那堆闲置的磁带生产机器,他们会怎样生产锂电池呢?

Duduta 戴上了黑色的橡胶手套,开始在真空盒子里手工制作电池。几个同事也陆续加入了纯手动模式的行列,直到逐渐形成了一条手工的生产线。熟能生巧,到后来,他们手动生产一块手机电池大小的单元只需 6 分钟。

经过黑暗中的摸索,团队对生产工艺反复改进,最终打造出了一个生产平台,让电池的能量密度和生产速度都发生了质的变化。新技术让导电剂保持液态,省却了原本漫长的干燥过程,使生产时间大大缩短。另一方面,新技术能减少电池内部 80% 的不产生电能的组件,让电池内部空间使用率更高。

尽管产品与最初的概念有些出入,投资人对 24M 取得的进展非常满意,于是新的投资也接踵而至,让 24M 的总融资额达到 5450 万美元。一位投资人说:他们的新电池有 50% 的机会将摩尔定律带到一个新的领域(电池)。

4M 要颠覆的未来

蒋业明正在启动 2000-3000 万美元第三轮融资,新的资金将用于研发一种机器,能在 2-10 秒内产出一个电池芯。这个机器不生产用于汽车的电池,而是用于为家庭和设施供电的固定电电池。

新机器能以 160 美元的成本生产任何锂离子电池,蒋业明预测,到 2020 年这个数字还将降到 85 美元,比同时期传统锂电池低 30%(考虑传统锂电池成本的下降)。最重要的是,这套机器定价大概在 1100 万美元左右,因此将能有效吸引创业公司进入锂电池领域。

综上,如果 24M 的机器能够造出来,并成功推向市场,将带来一场毋庸置疑的革命。尽管这可能把困难说得太简单,毕竟很多企业都在“造出来”和“商业化”这两个环节倒下。

(责任编辑:明海)
共 1 页
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随子君2015-06-24 09:38

写的不错,赞一个