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| 本文作者： Deeperblue | 2016-09-30 16:01 |
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面對一群喪尸，與其拳打腳踢，不如扔去 Note 7。噢，還有 iPhone 7。
為什么這些手機的鋰電池這么不安全？有沒有什么解決方案？
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讓鋰電池不爆炸的終極解決方案——固態(tài)電池是什么？
這種電池離我們還有多遠？
梳理了固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，盤點了四家固態(tài)電池公司。固態(tài)電池終將成為主流電池，這些公司正在路上。
美國科技博客 BoyGeniusReport 的一篇文章今天凌晨曬出，一部蘋果新 iPhone7 似乎也發(fā)生了爆炸。昵稱為 @kroopthesnoop 的網(wǎng)友在 Reddit 論壇貼出的一張照片，他的黑色 iPhone7 破損嚴重，屏幕開裂，邊框有明顯燒焦的痕跡。
蘋果的股價周四開盤應聲下跌。
此前，三星 Note 7 手機在全球已造成近 40 起爆炸事故。就在 9 月 26 日下午，又一部國行的 Note 7 發(fā)生爆炸，這是在中國 Note 7 的第四起爆炸事故了。
美國佛羅里達州用戶那?！ざ嗉{切（Nathan Dornacher）使用的三星 Note 7 爆炸，他之前在車內(nèi)給 Note7充電。車的方向盤、儀表盤等已經(jīng)面目全非。
2016 年 9 月 2 日下午，三星電子在韓國召開新聞發(fā)布會，移動部門總裁高東真對三星 Note 7 電池爆炸事件進行了公開道歉，宣布因電池缺陷問題，三星將停售 Note 7 手機，并召回 250 萬部 Note 7。
三星公司可能就此 “連續(xù)爆炸門” 損失近 50 億美金——作為貢獻韓國 GDP 超過五分之一的三星，這一次可真是驚動了國本。
六天之后，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）發(fā)表聲明，強烈建議乘客 “在飛機內(nèi)關(guān)閉 Note7 電源，不要使用或進行充電”。接著，美國消費品安全委員會（CPSC）又正式呼吁 “請消費者停止使用 Note 7 并關(guān)閉電源”。 多米諾骨牌效應開始，多國航空部門連續(xù)發(fā)出警示，提醒乘客停止使用 Note 7，這里面也包括中國民航。
網(wǎng)民把 Note 7 裝扮成 “恐怖分子”，說 Note7 才是 “真正的炸彈”。
據(jù)三星自己說，Note 7 是手機鋰離子電池的電池芯出了問題。因為制造工藝失誤，電池的陰極和陽極相接觸，導致電池芯過熱從而引發(fā)爆炸。
爆炸一次不可怕，連續(xù)爆炸才可怕。這不由得讓人想起同樣由于電池、連續(xù)起火的特斯拉。
2015 年年末，特斯拉還忙著統(tǒng)計去年全球交付總量達到 50,580 輛的傲人成績的時候， 1 月 1 日挪威一輛 Model S 充電時突然起火——所幸車內(nèi)無人。
由于特斯拉使用的動力電池是三元鋰電池，而三元鋰電池燃燒時不能直接用水或者二氧化碳撲滅，專用的銅粉水造價太高又不常見，所以當時的挪威消防隊員只能用泡沫控制周邊火勢，直到這輛 Model S 完全燒毀。
Model S 被燒毀畫面。
傳統(tǒng)鋰電池的安全性始終是一柄達摩克利斯之劍，懸在人們的心頭。為什么鋰電池容易爆炸？我們先看一下鋰電池的解剖圖：
普通的鋰離子電池由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜組成。鋰離子在正負極之間來回“奔跑”，完成充放電的過程。有了電解質(zhì)，鋰離子才能 “奔跑”。正負極之間用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔開，電池的正負極因此避免了直接接觸。
安全隱患就在這個隔膜上。一旦高壓、過熱，隔膜很容易被穿破，導致正負極接觸，造成內(nèi)部短路。據(jù)《科技日報》報道，三星為了提升電池的能量密度、延長續(xù)航能力，采用了更薄的隔膜材料，所以才會事故頻出。
想想看，一輛特斯拉需要使用 7000 多節(jié) 18650 型號鋰電池，只要其中一節(jié)出了問題……
7000 多節(jié)鋰電池節(jié)電池在特斯拉底盤緊密排布
固態(tài)電解質(zhì)能讓電池正負極永不接觸。即使發(fā)生過熱情況，固態(tài)電解質(zhì)只是熔化成絕緣體，溫度下降后又能恢復成固體，不會分解出氣體和多余的熱量。
如果一個鋰電池，換成固態(tài)電解質(zhì)，它就叫做 “固態(tài)電池”。
人類在固態(tài)電池上探索的道路至今已經(jīng)有六十多年。最先生產(chǎn)出來的固態(tài)電池，不是那種厚厚的、或者圓圓的，而是像一層薄膜一樣。
第一個報道產(chǎn)出固態(tài)電池的是日本人。1982 年，日本 Hitachi 公司首先聲明自己產(chǎn)出了厚度小于 10 μm 的固態(tài)電池，是一層薄膜。但這塊電池的功率太低，無法驅(qū)動任何電子設(shè)備。
薄膜電池現(xiàn)在有更成熟的產(chǎn)品了。 2008 年，美國的 Infinite Power Solutions （IPS）公司推出了一種全固態(tài)薄膜電池。它只有一個指甲蓋大小、兩張紙厚，15 分鐘就能充到 90% 的電量，可充放電 10 萬次，使用至少 15 年。由于是全固態(tài)，這種薄膜電池可以隨意彎折，在 -40℃ 到 85℃ 溫度范圍、甚至水下一千多米都能安全使用。
2015 年， Infinite Power Solutions 公司被蘋果收購，開始研究用于可穿戴設(shè)備上的固態(tài)電池。可以想象，如果蘋果手表用上固態(tài)電池，就能解決續(xù)航時間以及體積問題了。
這種薄膜形狀的固態(tài)電池，在微型電子器件市場上應用廣泛。世界范圍內(nèi)，有十幾家公司擁有薄膜電池的專利，除了上面提到的兩家，還有法國 Bellcore、美國 Cymbet、臺灣輝能科技、俄羅斯的 GS Nanotech 等。
俄羅斯公司 GS Nanotech 生產(chǎn)的柔性薄膜鋰離子電池
但薄膜電池生產(chǎn)成本實在太高。它需要利用一種叫做氣相沉積的技術(shù)，所用設(shè)備動輒上百萬。如果將薄膜電池用到手機上，一臺蘋果能賣到 100 多萬。
另外，因為電極是薄膜，薄膜電池能儲存的能量很少，別說電動車了，手機需要的電力都供不上。
更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固態(tài)電池。但非薄膜型的電池，目前技術(shù)還不是很靠譜。
瓶頸主要有兩個：一是固態(tài)電解質(zhì)離子電導率太低，也就是鋰離子在固態(tài)中“奔跑”得慢，而電池是靠鋰離子在正負極間奔跑來實現(xiàn)充放電的，所以這意味著電池充放電慢。二是固電解質(zhì)和電極接觸得沒有液態(tài)和電極接觸好，導致界面電阻太高，這會顯著降低電池性能。
在非薄膜型的電池里面，有三種材料可作為電解質(zhì)：聚合物，硫化物，氧化物。有不少公司說自己在做以聚合物為電解質(zhì)的電池，但他們做的其實不是聚合物固態(tài)電池，而是凝膠電解質(zhì)，如 Sony 和三星。凝膠的狀態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，其實根本沒有解決安全性的問題，凝膠電池的能量密度也難以提高。所以三星后來索性放棄了凝膠電解質(zhì)。
其它絕大部分廠商，包括中國新能源科技（ATL），只是在隔膜上涂一層聚合物將隔膜與正負極粘接在一起。話說，ATL 是全球最大的聚合物電池供應商，為三星、蘋果、華為、OPPO 等企業(yè)供貨。
大部分業(yè)界的人挺樂觀。《日經(jīng)技術(shù)》認為，“ 預計 3 年內(nèi)能出現(xiàn)性能為現(xiàn)有鋰離子電池 2 倍多的產(chǎn)品”。2013 年，美國能源存儲聯(lián)合研究中心（JCESR）則說，“ 5 年內(nèi)（2018 年）開發(fā)出（相比普通鋰電池）能量密度達到 5 倍、價格降至 1/5 的蓄電池”。
但科研領(lǐng)域的學者們都偏保守——他們認為 “畢竟研究出產(chǎn)品跟能形成產(chǎn)業(yè)是兩碼事”。2016 年上半年，科學院物理研究所研究員李泓博士說：至少要到 2020 年，中科院物理研究所出產(chǎn)的固態(tài)電池 “可能試水到商業(yè)化的程度”，而 “真正的全固態(tài)可能需要更長時間”。
雖然工業(yè)上不可能實現(xiàn)液態(tài)到固態(tài)的飛越，但這不代表產(chǎn)業(yè)界在固態(tài)電池領(lǐng)域無計可施。峰瑞資本投資人朱祎舟對深藍 Deeper Blue 說，“我們可以尋找液態(tài)到固態(tài)的過渡方案?！?例如，從麻省理工孵化出來的鋰電池公司 Solid Energy Systems 的電解質(zhì)，就是既有固態(tài)又有液態(tài)：先在金屬鋰電極上覆蓋一層固態(tài)電解質(zhì)薄膜，然后加入一種準離子態(tài)阻燃液體。制成的電池跟傳統(tǒng)電池比體積縮小一半，還能提供更多能量。
“固態(tài)電池性能好，成本高，就先瞄準對安全性、穩(wěn)定性需求高，又不計成本的行業(yè)。固態(tài)電池的制造過程跟傳統(tǒng)電池的不一樣，就要充分利用傳統(tǒng)電池的生產(chǎn)設(shè)備，避免重建整條生產(chǎn)線，從而降低生產(chǎn)成本?！?朱祎舟說。
在大容量固態(tài)電池做產(chǎn)業(yè)化的這條路上，日本遠遠走在全世界前列。豐田、日立造船都是固態(tài)電池界的領(lǐng)軍企業(yè)。2009 年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）啟動了 210 億日元計劃，舉國之力研究電池，希望能在 2030 年前開發(fā)出能量密度為現(xiàn)有水平 5 倍以上的可充電電池。從現(xiàn)在看來，這個時間可能被大大提前。
韓國也不落后，三星在日本也有個固態(tài)電池研究所——早點研發(fā)出來三星就能換上固態(tài)電池了。
日韓之后，依次是歐洲、美國、中國。
法國已經(jīng)有電動車投入使用固態(tài)電池，但他們用的固態(tài)電池中間還是有隔膜的，不是真正意義上的全固態(tài)，而且目前尚無大規(guī)模應用。美國人則只有技術(shù)，沒有可以量產(chǎn)的產(chǎn)品，這里有創(chuàng)業(yè)公司一大把，比如：Seeo, Solid Energy System, Solid Power, Quantume Scape 等等等等。
中國人還處于研究階段，相關(guān)標的有清陶能源、寧德時代新能源科技（CATL）、比亞迪、微宏動力等，研發(fā)進度有快有慢。其中，清陶能源位于江蘇盱眙，由南策文院士團隊組建。同時，南院士擁有中國第一個與全固態(tài)有關(guān)的專利。
四家開發(fā)固態(tài)電池的公司，其中法國的 BatScap 雖然有投入使用的產(chǎn)品，但不是真正意義上的全固態(tài)電池；其他公司目前還只有技術(shù)。
BatScap 是法國博羅雷（Bollore）的子公司，開發(fā)了可以在電動車上使用的固態(tài)電池。開發(fā)固態(tài)電池的 BatScap 是博羅雷在能源領(lǐng)域布局的一個關(guān)鍵。
BatScap 做的是需要加熱的聚合物固態(tài)電池。因為在常溫下聚合物的離子電導率太低，意味著鋰離子在電極間奔跑得慢，充放電也就慢。加熱后，聚合物的離子電導率才能提高。
2011 年底開始，博羅雷利用自主開發(fā)的 EV “Bluecar”，在法國巴黎及郊外提供汽車共享服務(wù) “Autolib”，即抵達目的地后交換車輛。這種汽車用的就是 BatScap 的固態(tài)電池， 規(guī)格是 30 kWh。目前這種 Bluecar 已有近 4000 輛，有約 900 座服務(wù)站和 4500 臺充電器，每天利用次數(shù) 1.8 萬次。
法國的固態(tài)電池電動車正在充電
然而，電池需要加熱才能使用是難以大規(guī)模推廣的。電動車可以利用行駛中產(chǎn)生的熱量來維持 60~80 ℃ 的使用溫度。但停車時，必須要利用電池組內(nèi)部的加熱器來維持溫度，每秒會消耗約 200 W 的電力，跟一個電冰箱差不多。在停車過程中需要一直連接充電器。有人做過估算，平均一年下來，停車時加熱器消耗的電力比行駛時所需的電力還多。
不過，據(jù)一名固態(tài)電池的技術(shù)人員透露，BatScap 的聚合物固態(tài)電池其實中間也有一層隔膜，根本不是我們所說的全固態(tài)。
美國 Solid Power 成立于 2012 年，位于美國肯塔基州的路易斯維爾市，在科羅拉多科技中心擁有 650 多平方米的工廠。創(chuàng)始團隊有不少來自科羅拉多大學博爾德分校（UCB）的教授與副教授。這些教授背景都十分強，比如僅 Sehee Lee 教授一人就有 18 項相關(guān)專利。
Solid Power 拿政府的錢比較多，2013 年獲美國能源部資助的 346 萬美元，科羅拉多州的經(jīng)濟發(fā)展與國際貿(mào)易部門（COEDIT）資助的 25 萬美元。2014 年底又獲美國空軍資助 290 萬美元。
Solid Power 固態(tài)電池的電池能量密度達到了 600 Wh/kg，是市面上電池容量的兩倍多。
Sakti3 是一位來自美國密歇根大學的教授在 2007 年設(shè)立的風險創(chuàng)業(yè)公司。Sakti 在梵文中是 “力量” 的意思，3 是鋰的原子序數(shù)，連起來就是 “鋰的力量”。這家公司是用蒸鍍的方法制備無機固態(tài)電解質(zhì)，并且宣稱已能實現(xiàn)高效率量產(chǎn)。
美國密歇根大學教授安·瑪莉·賽斯特里（Ann Marie Sastry）是公司的 CEO
值得一提的是，Sakti3 2015 年獲得家電巨擘戴森公司 1500 萬美元融資，年底被戴森以 9000 萬美元收購。2016 年 9 月，戴森宣布投資 14 億建立電池廠。
Sakti3 宣布已制造出能量密度達 550 Wh/kg 的電池，這一能量密度要比普通鋰離子電池的高大約 50%，電池蓄電量是特斯拉現(xiàn)在使用的鋰電池的兩倍。Sakti3 對媒體說，他們在其位于密歇根的小型試驗場已制造出這種固態(tài)電池的原型，預計在兩三年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。
然而，業(yè)內(nèi)針對 Sakti3 的聲音真不少。不少科研人士都認為：“Sakti3 沒有產(chǎn)品，只是在炒作固態(tài)電池概念”。
2013 年時，豐田宣布，計劃在 2020 年全面實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，其能量將是鋰電池的三到四倍，并在接下來幾年使用鋰空氣電池。
許多日企都非常重視離子導電率。離子導電率高，意味著鋰離子在正負極間 “奔跑” 得快，充放電的速度就快。而硫化物電解質(zhì)在常溫下的離子導電率與液態(tài)電解質(zhì)相近，所以有許多日本公司在研究硫化物。豐田就是個代表。
根據(jù)豐田 2014 年發(fā)布的專利，他們研發(fā)的全固態(tài)電池，改善固態(tài)電解質(zhì)和電極接觸差的問題，用濕涂工藝來制備中間的電解質(zhì)，讓電解質(zhì)變得很薄，從而減小電池體積。同時豐田放大了電芯尺寸，將電池面積擴大了 50 倍，容量提升了一千倍。
豐田在實驗中將固態(tài)電池用在電動小車上
據(jù)蘋果一名技術(shù)人員向深藍 Deeper Blue 透露，豐田固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化很可能不會使用上面說的材料，他們公布這項專利也許只是為了誤導產(chǎn)業(yè)界。
參考文章：
Solid Power 官網(wǎng)：http://www.solidpower.com/en/home/
Sakti3 官網(wǎng)： http://sakti3.com/
《日經(jīng)技術(shù)》：《超越鋰電 · 全固體電池一躍十年》
Xu, Xiaoxiong. All-solid-state lithium-ion batteries：State-of-the-art development and perspective[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(4): 331-341
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