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能續航百萬英里的電動汽車電池,可能被特斯拉發明了

 
 
 
發布日期:2019-10-15    來源:未來汽車日報    作者:綜合報道    掃描到手機

本文轉自未來汽車日報

編者按:2019年的諾貝爾化學獎揭曉后,約翰·古迪納夫的研究將人們的視線轉向了電池行業的發展,近期,特斯拉宣稱已經發明出了能續航百萬英里的電池,可供一輛汽車行駛足足76年。埃隆·馬斯克的這項技術或將成為未來所需的無人駕駛汽車研發的關鍵。本文譯自寫作平臺Medium中原標題為“TeslaMayHaveInventedaMillion-MileElectricCarBattery”的文章,本文作者SteveLeVine。

GiacomoBagnara

自從愛迪生以來的一個世紀中,電池的世界夾雜著夸張和小謊言。美國大學和私人實驗室通常會宣布所謂的重要新飛躍,但當攝像機消失之后,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,包括美國監管機構和華爾街,因為他總是會提出一些沒法實現的要求,有時還直接違反法律。但現在,這個讓人生疑的汽車制造商卻申請了一種電池系統的專利,這個電池可以保持續航一百萬英里,對于普通美國人來說,足足夠駕駛76年。

曾經有人需要這這么一輛車么?不清楚。但是如果你是馬斯克,那么你會發現,未來會有一支車隊,可以在車主不使用的時候,轉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的成本不是很確定,但有一份新鮮出爐描述續航百萬英里電池的學術論文卻是嚴謹而又令人信服。“它的結論是驚人的,”加州大學伯克利分校材料科學教授GerbrandCeder這么說道。

加拿大達爾豪斯大學教授JeffDahn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性進步。用有二十年壽命的網格電池,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JeffDahn所說的,將大大恢復馬斯克在應用尖端技術領域的聲譽。

如果你是馬斯克,那么你會發現,未來會有一支車隊,可以轉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,很少有發明能像鋰離子電池那樣對不起眼的電池行業產生影響。也正是這項技術使20世紀突破性的電子杰作——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·古迪納夫發明(當時他在牛津大學任教,而現在是美國德克薩斯大學的教授),十年后,由索尼公司推向市場。像您現在閱讀這篇文章所拿的手機里,就肯定有古迪納夫的發明。從那以后,包括JeffDahn在內的研究人員發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。四十年后,古迪納夫的基本想法仍然是電池行業的金科玉律。

關于鋰離子要了解的另一件事就是它與晶體管的區別。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則。如果鋰離子以硅的速度被提升了,那么到現在它可能幾乎已經將化石燃料趕出了運輸業,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步,但卻并沒有達到這個速度。

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。在當時,美國能源部設定了$100/kWh,算是里程碑一樣的目標。如果能達到,那么電氣設備將會和汽車就爭奪首要地位來一次正面交鋒。對于像我這樣年復一年在行業會議上聽到各種目標的人來說,就很荒謬,因為我從沒有聽說過有哪個研究人員認為這種想法是可行的。

但是,根據可再生能源研究公司BloombergNEF的最新研究,感覺已經差不多了。去年,成本已經下降到平均$176/kWh。BNEF還表示,在五年之內,它將會降至100美元以下。

在一定程度上,汽車制造商將節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,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今一個主要的嚴肅話題。四年前,JeffDahn(他自己是電池領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長期獨家的商業合作關系,和特斯拉簽了一份五年的工作協議。

在一封電子郵件中,Dahn將問題轉給了特斯拉,特斯拉沒有回復。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JoeRogan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Model3的生產目標——馬斯克脫口而出說,到明年年底,特斯拉將擁有一個續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,他準備把電池安裝在特斯拉Model3里,這些汽車也會有可以連接到自動出租車網絡的必備軟件。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不會生產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,尤其是在無法預測的人類社會中,面對的挑戰比幾年前大多數人想象的要艱巨得多。

但是當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,特斯拉已經為兩項Dahn的發明申請了臨時專利,兩項發明都涉及百萬英里電池(臨時專利是在真正完成一項發明之前所提出的,有一年的時間來完成它)。9月12日,也就是在Dahn論文發表的幾天之后,特斯拉就表示這項發明已經準備就緒,并申請了兩項專利。

在這個宣言中,至少在電池領域,使馬斯克擁有一些可信度的主要原因就是Dahn的存在。JeffDahn是一位膽大心細的物理學家,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,JeffDahn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境下,Dahn就剛好已經發現了這項技術。

這篇論文發表在《電化學學會雜志》上,由Dahn和13位合著者共同發表,內容驚人的全面,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”,這個基準是同行和公司用在所有類型電池研發生產的基準。但是,Dahn有著“不愛講廢話”的名聲,他們不僅公開了數據,還讓同行們復制其研究結果。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,我聯系了六個研究人員,他們似乎都對Dahn的假設不以為然。但就現在的情況看來,Dahn似乎對能帶領這個領域發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的電池沒準兒“真的可能成為標準。”

眾所周知,特斯拉發展十分迅猛,但就像馬斯克之前承諾的那樣,一年之內仍然很難看到人們如何從Dahn的論文和專利來獲取駕駛的便利。

現在這個技術受到歡迎的一個原因可能是因為論文沒有描述全新的內容,只是Dahn和電池領域的其他人在很大程度上已經開發了一段時間的最佳實踐的綜合結果。

當然,除此之外它也是有創新的。卡耐基梅隆大學的教授VenkatViswanathan認為,Dahn的主要進步在于一個“秘密武器”——那就是電解質,它是促進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物質,就可以實現快速充電而又不損壞電池的結果。

并且,為了實現生活的跨越式發展,Dahn從根本上改變了電池的結構。當前的電池在充放電循環中易于破裂,但是,當擴大構成陰極的晶體時(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,”英國法拉第學會程序管理負責人AllanPaterson這么說道。

眾所周知特斯拉發展十分迅猛,但就像馬斯克之前承諾的那樣,一年之內仍然很難看到人們如何從Dahn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VoltaEnergyTechnologies的負責人JeffChamberlain表示,成功擴大電池規模的關鍵是Dahn的方法所需要的花費是多少,這是電動汽車商業化以及利用太陽能和風能發電的核心問題。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規模的擴大,這種成本差距可能會縮小,尤其是當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。

這是電池化學本身的一個中心問題。電池似乎并不能點燃大多數人的激情,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,如果他負責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生什么。他們的回應都很像,差不多都會說:“過去是過去,現在是現在:如果埃隆·馬斯克能夠生產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FredLambert發表的一份報告中,提到韓國的《電子報》表示,LGChem將為在中國銷售的特斯拉Model3s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。“我們知道電池已經達到一個很長的使用壽命,而且設計也非常好。”伯克利大學教授塞德說:“這是第一個證據,證明這個事情其實比我們想象的要好得多。”

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