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Zimmerman从五六年前就开始思考有关电池的问题,当时电动汽车在市场上的声量还很小,特斯拉也刚刚走红。在那个时代,钴这种特殊金属一般只用在飞机引擎和智能手机上。
随着各国环保法案的逐渐收紧,电动汽车开始吃香,2010年时纯电和插电混动车型一共只卖出了6000台,到去年这一数字就暴增到100万台,不过依然只占到全球汽车销量的1%。
麦肯锡认为,2030年之前,全球还会生产并销售3.4亿台电动汽车(包括乘用车、卡车和公交车等)。
如此庞大的市场也让电池工厂在各地全面开花。BenchmarkMineralIntelligence的数据显示,特斯拉超级工厂的电池产能在过去8年内增长了10倍,每年生产的电池可达41千兆瓦时。也就是说,电池会成为“21世纪的油桶”。
虽然业界都在期盼新型电池技术的诞生,但传统的锂离子电池功绩也不可磨灭。这种电池诞生于上世纪80年代的牛津大学,发明它的美国教授JohnGoodenough现在已经96岁了。不
得不说,锂离子电池是20世纪科学技术的高峰,它是便携电子设备得以大规模普及的基础,因此也顺理成章成了电动汽车的标配。
不过,1991年索尼顺利帮助锂离子电池落地后,这项技术一直都没有大的改进。Zimmerman相信,现在驱动全人类生活的锂电池已经触到了天花板。“谁不想让手机待机长点,而且没有爆炸的危险?”他说。“在我看来,锂离子电池已经走进了死胡同,在现在的技术条件下,它几乎已经没有改进空间了。”
电池组主要由四大部分组成:正极和负极、液态电解质和分离器。
正极被包裹在精心处理的金属氧化物泥浆中,主要用到了锂、钴、镍和锰四种金属。当电池放电时,锂离子会流向正极,产生电流。当电池充电时,锂离子则会返回负极,而负极一般由石墨制成。
那么如果没有钴呢?后果很严重。
钴的存在可防止电池过热,同时它也是电池稳定性的定海神针,没有钴的电池根本不可能安全充放多年。当然,它也是电池所用金属材料中最为昂贵的,电动汽车价格多年降不下来就是因为钴。
伦敦经济和投资银行Liberum的分析师指出,一公斤的电池正极材料中,钴价值12美元,而锂这种电池“冠名”材料其实才值8美元,另一种材料镍则只有5美元。
电池中用到的金属占了整体成本的四分之一。虽然美国爱达荷、阿拉斯加和澳大利亚都发现了新的钴矿,但它们投入生产要到2020年之后。
少用钴还是彻底剔除钴?
于是,身为材料科学家的Zimmerman将精力投向了一个开发程度相对较低的领域——电解质,虽然在传统锂电池中它们是起火的元凶。
在他看来,如果将现在使用的液态电解质换成固态的,电池安全性会大幅提升,重量也会降低(现在的电动汽车甚至要扛着600公斤的电池组“负重前行”)。最关键的是,这能减少钴的用量,甚至彻底从工艺方程式中剔除这一金属。
*地球上钴储量的60%都分布在刚果金(图片来自AFP)
著名的英国科学家MichaelFaraday其实19世纪30年代就发现世界上第一种导电固体了,不过在电池中它却始终不能正常工作(室温环境下)。
Zimmerman经过不懈的努力,开发出了一种聚合物材料来填补导电固体留下的位置。
“它其实看起来就像一卷平凡无奇的塑料,而且塑料上都是孔。”一直在寻找固态电池解决方案的Joy说道。“不过,它确实大家期待已久,真正有可行性的新技术。”
咨询公司WoodMackenzie的数据显示,丰田、奔驰等汽车巨头和戴森集团都在研发固态电池(Zimmerman也算是固态电池的一种),今年上半年投在该领域的资金达到4亿美元。WoodMackenzie认为,到2030年固态电池就会成为电动汽车行业的主流,不过这项技术恐怕要到2025年才能真正落地。
“纯固态电池的商用还面临一大堆挑战。”牛津大学材料系教授PeterBruce解释。“好在,这些问题正在一点点解决中。”
Ionic是一系列想要取得电池技术大突破的新创公司之一,不过想从电池行业脱颖而出可不容易,匹兹堡的盐水电池公司AquionEnergy就宣告破产,而去年3月份时它才刚刚拿到比尔盖茨的投资。
与此同时,电池公司也在想办法减少钴的用量。松下汽车业务主管YoshioIto上个月在东京接受采访时就表示,公司致力于在未来2-3年内减少特斯拉电池中钴的用量。特斯拉也曾表示,“公司希望在不久的将来实现钴材料零用量的目标。”
多数汽车厂商也都在行动,它们想用更多的镍来替代钴,并以此减少四分之三的钴用量,未来几年内这些改进型锂电池就会逐步登陆市场。
卡耐基梅隆大学教授VenkatViswanathan表示,液态电解质的极限还没到来,除了Ionic的方法,许多电池厂商也在这条路上找到了切实可行的解决方案。
不过,即使找到了制造低钴电池的方法,电动汽车需求的增长还是会抵消技术人员的努力,预计到2025年钴的需求量还是会翻番。“完全不用钴很困难,而低用量是可行的。”Viswanathan说。
在Zimmerman看来,所谓的低钴电池也有自己的烦恼,因为它还是有很高的起火风险,必须搭配昂贵的监控技术使用。
他还专门放了一段研究视频,视频中一些钉子扎在了低钴电池的阴极(依然采用液态电解质),随后电池就冒烟起火了。电池起火后还会释放有毒气体,想灭掉还得穿上专用防毒服装。“从根本上来说它就不安全。”他说。
“钴的价格很贵,而且它们大多来自刚果金的血汗工厂,因此大家都在极力减少钴的用量。”Zimmerman补充道。“不过,如果钴用少了,正极的电压就会升高,现有技术下的液态电解质无法在这样的高电压下工作,而我们的聚合物材料能。”
Ionic表示,自家的聚合物材料已经经过测试,无论正极有没有钴都能通过,它们正在与其他厂商合作,试图让这项技术尽快落地。如果成功,这种材料几年之内就能杀入电池的供应链并成为电动汽车标配。
为互联网的诞生贡献了不少代码还创立了SunMicrosystems的创始人BillJoy则认为,这样的技术对解决气候变化也相当重要。现在的电池材料组合“确实已经到了极限”。
“索尼确实对锂电池的应用功不可没,不过它们却抛弃了安全、成本,还有本就不够丰富的钴,刚果金的钴可不够将全世界电动化。”Joy说道。
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