淘汰鋰電！未來(lái)電池技術(shù)探秘：越來(lái)越近

電池可能是迄今為止最沒(méi)吸引力的一項(xiàng)技術(shù)。這一點(diǎn)在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)系里尤其明顯，里面有個(gè)專用于打造和測(cè)試下一個(gè)變革性儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，會(huì)很容易被人誤認(rèn)為只是個(gè)貯藏室。

在那個(gè)狹窄的實(shí)驗(yàn)室里，頭發(fā)銀灰的電化學(xué)家唐納德·薩多維(Donald Sadoway)在翻找塑料元件，看起來(lái)像是小孩子尋找特定的樂(lè)高積木。他將兩個(gè)物體放在桌子上，它們的大小和形狀與罐頭相仿，看起來(lái)就像是書鎮(zhèn)。

難怪電池很難提起人們的興致。但這些書鎮(zhèn)——是電池啦——卻有可能會(huì)是徹底改變我們的能源系統(tǒng)的那項(xiàng)技術(shù)。

電池不只是讓人覺(jué)得沒(méi)勁。老實(shí)說(shuō)，它們還很差勁。說(shuō)好聽點(diǎn)，助力我們?nèi)粘Ｉ畹碾姵囟际请[形英雄——它們被整合到智能手機(jī)、電腦、汽車等重要物品。說(shuō)不好聽點(diǎn)，它們價(jià)格高昂，笨重，易燃，難以正當(dāng)處理，在寒冷環(huán)境中容易失靈，也容易滲出腐蝕性流體。正當(dāng)從它們獲得能量的設(shè)備變得越來(lái)越輕薄，越來(lái)越智能，電池卻還是在苦苦等待下一次升級(jí)換代。眾所周知，計(jì)算機(jī)處理器的性能每?jī)赡昃湍芊槐?而電池可能每?jī)赡曛荒芴嵘敲磶讉€(gè)百分點(diǎn)。

薩多維研制的電池的早期原型

然而，未來(lái)將會(huì)是電池供能的時(shí)代。這勢(shì)在必行。從電動(dòng)汽車到工業(yè)級(jí)太陽(yáng)能電廠，電池都將是更清潔的、更高效的能源系統(tǒng)的關(guān)鍵所在——我們?cè)娇鞂?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們就越快能夠不再加劇氣候變化。

不過(guò)，我們現(xiàn)在的電池——大多是鋰離子電池——還不夠好。該領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展：儲(chǔ)能成本過(guò)去5年已經(jīng)下降了一半，越來(lái)越多的大公司在大力投資該項(xiàng)技術(shù)，比如特斯拉建造Gigafactory超級(jí)電池工廠。但從大范圍經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的角度來(lái)看，鋰離子電池還是太過(guò)昂貴。它們?cè)谖覀兊娜粘ＴO(shè)備中相當(dāng)強(qiáng)大，但一旦擴(kuò)大它們的使用規(guī)模，它們就容易出現(xiàn)過(guò)熱，甚至爆炸事故。

也許，鋰離子電池最大的問(wèn)題在于它們會(huì)慢慢出現(xiàn)磨損。想想看，你的手機(jī)電池經(jīng)過(guò)好幾年不斷從消耗到1%再充電回100%，會(huì)變成什么樣。這種深度放電和充電的過(guò)程會(huì)對(duì)電池造成損害，會(huì)日漸損害電池的性能。

因此，我們?cè)缇驮撚瓉?lái)全新的電池，全球各地的研究人員正在爭(zhēng)相幫助我們實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，各種技術(shù)都在力爭(zhēng)脫穎而出。當(dāng)中有的構(gòu)想非常新奇——還不算有吸引力，但絕對(duì)是令人驚奇。比如，液態(tài)電池，運(yùn)行溫度堪比汽車引擎的熔態(tài)金屬電池，以鹽水作為原料的電池。

這是全新的競(jìng)爭(zhēng)格局的一部分。

電池為何重要

好的電池需要符合幾點(diǎn)要求，但有兩點(diǎn)是必不可少的：可靠性和便宜。

美國(guó)能源部負(fù)責(zé)鑒定和資助前沿研發(fā)項(xiàng)目的先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)技術(shù)副署長(zhǎng)埃里克·羅爾芬(Eric Rohlfing)指出，“電池最大的問(wèn)題還是成本。”《自然》(Nature)雜志2012年的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為了確保美國(guó)的整個(gè)電力供應(yīng)都基于可再生能源，美國(guó)人平均每個(gè)月只愿意多花大約13美元。因此，電池不能大幅增加人們的電費(fèi)支出。

對(duì)于公用事業(yè)部門來(lái)說(shuō)，那意味著所提供的輸電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)每千瓦時(shí)的成本不能超過(guò)100美元。自2009年美國(guó)總統(tǒng)創(chuàng)立以來(lái)，ARPA-E已經(jīng)共計(jì)投入了8500萬(wàn)美元來(lái)開發(fā)能夠達(dá)到那一目標(biāo)的新型電池。

羅爾芬說(shuō)，“人們說(shuō)我瘋了。”根據(jù)《自然》刊登的一項(xiàng)電動(dòng)汽車電池研究，對(duì)于一個(gè)自誕生以來(lái)還沒(méi)有接近過(guò)700美元每千瓦時(shí)成本的行業(yè)來(lái)說(shuō)，那個(gè)目標(biāo)數(shù)字簡(jiǎn)直低得荒謬。羅爾芬說(shuō)，現(xiàn)在，盡管還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但每千瓦時(shí)100美元是整個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。要是能夠做到低于這一數(shù)字，那你就不僅僅有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力——你還能夠贏得一切。

也就是說(shuō)，能贏得市場(chǎng)的好電池是這樣的：更加清潔的、更加可靠的能源系統(tǒng)，不依賴于化石燃料，啟動(dòng)更強(qiáng)勁。

每一次你波動(dòng)照明開關(guān)，你就接入了一個(gè)龐大的隱形網(wǎng)絡(luò)：輸電網(wǎng)絡(luò)。在某處，在為你家輸送電力的高壓輸電線路的另一端，發(fā)電廠(可能是燃燒煤，有或者是使用日益普及的天然氣)產(chǎn)生電力來(lái)替代你和其他人的人剛剛用完的電力。

我們的電網(wǎng)電量任何時(shí)候都需要小心維護(hù)——不管是電量太多還是電量太少，都會(huì)引發(fā)問(wèn)題。電網(wǎng)操作員需要進(jìn)行細(xì)心謹(jǐn)慎的觀察和預(yù)測(cè)，以便決定發(fā)電廠每小時(shí)乃至每分鐘應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生多少電量。但有時(shí)候他們會(huì)出錯(cuò)，這就需要發(fā)電廠及時(shí)作出調(diào)整來(lái)彌補(bǔ)電量差額。

對(duì)于我們來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，電網(wǎng)是一個(gè)龐大的互連系統(tǒng)，因此我們很少能夠注意到電力在質(zhì)量或者數(shù)量上的變化。不妨想象一下踏進(jìn)水桶和踏進(jìn)海洋之間的差別吧。在一個(gè)小型的系統(tǒng)中，供給和需求之間的平衡變化都顯而易見——水桶的水會(huì)溢出。但由于電網(wǎng)如此龐大——就像是海洋——里面的變動(dòng)通常都無(wú)法察覺(jué)。只有到問(wèn)題比較大時(shí)我們才會(huì)注意得到，因?yàn)橹車碾姛舳枷缌恕?/p>

可再生能源相比燃燒煤炭或者燃?xì)獾陌l(fā)電廠沒(méi)有那么可控——如果人們用電需求突然飆漲，你可不能給太陽(yáng)能發(fā)電站多生火造電。太陽(yáng)能在白天達(dá)到峰值，期間會(huì)因?yàn)樵茖拥淖兓兓?，夜間則會(huì)消失。風(fēng)能甚至更不可預(yù)測(cè)。如果電網(wǎng)有太多這種間歇性現(xiàn)象，平衡電力供給和需求的難度就會(huì)加大，停電事故會(huì)變得更加頻繁。

儲(chǔ)能是安全的解決方案。如果你能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰看娣旁谀硞€(gè)地方，然后在供給再次變少時(shí)從那里提取過(guò)來(lái)，你就能夠用可再生能源給多得多的東西供能，即便天氣并不晴朗，風(fēng)沒(méi)有刮起來(lái)。此外，電網(wǎng)本身會(huì)變得更加穩(wěn)定有效，因?yàn)殡姵乜勺尭鱾€(gè)社區(qū)和地區(qū)自行管理自己的電力供給。我們?nèi)諠u老化且征稅過(guò)重的電力基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)走得更遠(yuǎn)。你可以在非高峰時(shí)段獲取電力，將其儲(chǔ)存到電池等到有需要時(shí)使用，如此一來(lái)，就不必在有輸電線路接近最大傳輸容量的地區(qū)鋪設(shè)新的輸電線路。

通過(guò)這種方式，水桶能夠變得更像是海洋。那意味著——至少理論上——發(fā)電量和電力存儲(chǔ)更加分散，可再生能源的使用增多，對(duì)于燃燒化石燃料的大型發(fā)電廠的依賴減少。

這就是電池這種東西如此重要的原因。

瘋狂的想法

薩多維在其在麻省理工學(xué)院的辦公室向我表示，“電池之于電力供應(yīng)鏈，好比冰箱之于我們的食物供應(yīng)鏈。”

他給我展示的那些容器是他10年前開始研究的“液態(tài)金屬電池”的早期原型。

“我開始研究電池，只是因?yàn)槲覍?duì)汽車非常癡迷。”薩多維說(shuō)。(他的電腦桌面背景是他幾年前賣掉的一輛老式跑車，他保留那張照片來(lái)紀(jì)念那輛車，就像別人紀(jì)念家里的寵物那樣。)2005年，他試駕了福特的一款早期電動(dòng)車，并深深迷上了它。“那時(shí)候我認(rèn)識(shí)到，我們之所以還沒(méi)有電動(dòng)汽車，是因?yàn)槲覀儧](méi)有合適的電池。”

因此，薩多維開始琢磨打造合適的電池。他曾參與精煉鋁的工作，因而他好奇那可否成為打造另類的新型電池的一個(gè)模板。熔煉鋁是一個(gè)非常便宜的耗能過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，煮沸就能得到純凈金屬。但如果那個(gè)單向的過(guò)程能夠加快，它本身能夠回環(huán)，那也許流入熔態(tài)金屬的大量能量能夠儲(chǔ)存在那里。

在某種程度上，那是瘋狂的想法——熔態(tài)電池的運(yùn)行溫度必須要達(dá)到880華氏度，差不多接近汽車引擎燃燒室的溫度。但這也可以說(shuō)是個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念，至少對(duì)于電化學(xué)家來(lái)說(shuō)是這樣。原來(lái)裝配液態(tài)金屬電池只需要將由兩個(gè)不同密度的合金組成的金屬塞放入容器，然后在上面澆注一些鹽。當(dāng)電池通電的時(shí)候，兩塊金屬會(huì)融化，并自動(dòng)分成兩層，就像浮在醋上的沙拉油。熔融鹽在二者之間形成一層，來(lái)回導(dǎo)電。

但薩多維稱，盡管剛開始充滿希望，但開發(fā)新型技術(shù)是一個(gè)極其緩慢的過(guò)程。來(lái)自ARPA-E和法國(guó)石油巨頭Total的早期資助幫助他開始實(shí)踐他的想法，但打造全新技術(shù)需要多年的時(shí)間，維持長(zhǎng)期的研發(fā)工作成本不菲。風(fēng)險(xiǎn)投資者們普遍不愿意投資長(zhǎng)期的工程項(xiàng)目，畢竟時(shí)下有大量的軟件創(chuàng)業(yè)公司可快速給他們帶來(lái)回報(bào)。

薩多維說(shuō)道，“在任何資本密集型的產(chǎn)業(yè)中，產(chǎn)業(yè)本身會(huì)妨礙技術(shù)創(chuàng)新。”他說(shuō)，現(xiàn)有的電池公司的投資大都用在維持現(xiàn)有經(jīng)營(yíng)上，因而不會(huì)給行業(yè)的創(chuàng)新帶來(lái)多少幫助。他指出，鋰離子電子正是誕生于原有的電池行業(yè)以外;下一代電池也將如此。

熔態(tài)金屬電池早已走出地下實(shí)驗(yàn)室。2010年。薩多維與數(shù)名以前的學(xué)生創(chuàng)立電池公司Ambri，后將公司總部從坎布里奇以西30英里位于莫爾伯勒的一個(gè)制造工廠。如今，Ambri有大約40名員工，正忙于用數(shù)百個(gè)熔態(tài)金屬電池打造電池組原型。

薩多維表示，Ambri距離部署它的首批商用模型不到一年時(shí)間，截至目前一切都向好。在它的制造工廠，部分測(cè)試電池已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了將近四年，但沒(méi)有出現(xiàn)任何的耗損跡象。讓包含432個(gè)獨(dú)立單元的電池組運(yùn)轉(zhuǎn)則要棘手些。但在通過(guò)熱封口解決一些難題后，電池組能夠達(dá)到可持續(xù)的工作溫度，熱度足夠支持它們?cè)诓贿M(jìn)行任何額外能量輸入的情況下充電和放電現(xiàn)在，Ambri正在進(jìn)行新一輪的融資，新融資將足夠幫助它進(jìn)入生產(chǎn)模式。

我在走出辦公室門口時(shí)說(shuō)，盡管出現(xiàn)了種種的困難和推出延遲，但這款電池看上去很接近進(jìn)入市場(chǎng)了。“我希望如此。”薩多維說(shuō)。

競(jìng)爭(zhēng)激烈

熔態(tài)金屬電池并不是唯一的一個(gè)登月式電池項(xiàng)目，它也不是競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)先者。其它的一些技術(shù)正在低調(diào)地向前推進(jìn)，從“鐵流電池”到鋅空氣和鋰空氣電池。

跟薩多維的項(xiàng)目一樣，很多的這些未經(jīng)檢驗(yàn)的技術(shù)一開始是依靠來(lái)自ARPA-E的資助。ARPA-E的羅爾芬說(shuō)，“這些都是非常初期的高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)。因此我們廣撒漁網(wǎng)。”

新一代電池競(jìng)賽中尤其有希望的一位競(jìng)爭(zhēng)者是總部位于匹茲堡的Aquion公司，其創(chuàng)始人、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授杰·惠特克(Jay Whitacre)2008年創(chuàng)辦公司，一心要設(shè)計(jì)迄今為止最便宜且最可靠的電池。

他們的產(chǎn)品被稱作“鹽水電池”。它看上去更相似一個(gè)裝滿海水的樂(lè)柏美(Rubbermaid)容器。Aquion電池里面的所有材料都屬于容易獲得的盛產(chǎn)材料，從鹽到不銹鋼，再到棉花。此外，那些材料無(wú)一會(huì)帶來(lái)像鋰離子電池那樣的風(fēng)險(xiǎn)。

Aquion產(chǎn)品管理總監(jiān)麥特·馬魯恩(Matt Maroon)表示，“我們所使用的化學(xué)材料非常簡(jiǎn)單，我們的電池用料沒(méi)有一樣具有易燃性、毒性或者腐蝕性。”

Aquion的電池也非常容易裝配。“我們的主要制造裝配設(shè)備來(lái)自食品包裝行業(yè)。”馬魯恩說(shuō)，“它是一個(gè)你可以在納貝斯克公司看到的簡(jiǎn)單拾防機(jī)器人，可用來(lái)將餅干放在泡罩包裝當(dāng)中。”

Aquion電池進(jìn)入市場(chǎng)已經(jīng)將近3年，家庭和發(fā)電廠規(guī)模的設(shè)施都可以部署。在遍布全球的250處不同地方的部署中，Aquion電池總計(jì)儲(chǔ)能35兆瓦時(shí)。其中，在夏威夷的一處部署已經(jīng)運(yùn)行了兩年時(shí)間;去年，該由電池和太陽(yáng)能組成的系統(tǒng)給數(shù)座建筑供能了6個(gè)月，完全不用借助柴油發(fā)電機(jī)。

“我們需要將更多這樣的產(chǎn)品投入使用。”羅爾芬說(shuō)道，“現(xiàn)在，如果我是公用事業(yè)部門或者電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者，想要購(gòu)買儲(chǔ)能電池，我會(huì)想要買提供20年保修的產(chǎn)品。我們現(xiàn)在討論的這些技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到那個(gè)階段。”

不過(guò)，他們正在接近達(dá)到那個(gè)階段。ARPA-E資助的另一個(gè)項(xiàng)目Energy Storage Systems(簡(jiǎn)稱“ESS”)去年11月宣布，作為密蘇里州的一個(gè)軍事基地陸軍工程兵部隊(duì)微型電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的一部分，它將部署它的其中一種鐵流電池。ESS還部署電池給位于美國(guó)加州納帕谷的一個(gè)離網(wǎng)有機(jī)釀酒廠供能——Aquion也有為該釀酒廠部署電池。隨著越來(lái)越多這樣的一次性實(shí)驗(yàn)取得成功——更多這樣的新型電池證明自身的價(jià)值——電池供能能源系統(tǒng)的可能性距離成為現(xiàn)實(shí)又近了一點(diǎn)。

但電池未來(lái)有沒(méi)可能變得很酷呢?這是一個(gè)更棘手的問(wèn)題。Aquion的麥特·馬魯恩自2002年從大學(xué)畢業(yè)不久后便一直從事電池行業(yè)。以前參加各種業(yè)界會(huì)議，他往往都是最年輕的那一位。當(dāng)初他認(rèn)為自己肯定不會(huì)一輩子都干電池這一行。

15年后，他仍在從事電池行業(yè)——但他已經(jīng)不再是會(huì)議室中最年輕的那一個(gè)了。更多的學(xué)生開始涉足電池行業(yè)，人們也開始注意到該行業(yè)的重要性。“做這一行還是沒(méi)有給蘋果供職那么酷，”他說(shuō)，“但我想人們認(rèn)識(shí)到這個(gè)行業(yè)的重要性了，這讓它顯得有點(diǎn)酷。”

“或者說(shuō)我希望是這樣。”他笑道，“我有個(gè)9歲大的女兒了。因此我想要做某種她會(huì)覺(jué)得很酷的東西，那是我的終極目標(biāo)。”