電動汽車不只環保，而且它還是更棒的汽車。電機零件幾乎沒有什麼噪音，能夠快速回應駕駛的指令。為汽車充電的成本比燒油便宜得多。電動汽車只有很少的活動零件，維護成本更低。
電池設備改變了我們的生活，但電池有其物理限制。1799 年，人類發明第一塊電池，自此之後的兩個多世紀，我們不斷研究，但是科學家仍然無法完全理解設備內部到底發生了什麼。我們只是知道，如果想讓電池再次改變我們的生活，有三個問題需要解決：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。
沒有萬能的鋰電池
每一塊鋰電池都有兩極：陰極和陽極。大多鋰電池的陽極是用石墨製造的，陰極卻有多種不同的材料，具體要看電池用在哪裡。從下面這張圖中，你可以看到不同的陰極材料對電池性能的影響。
許多時候，我們經常會將「Energy」和「Power」混用，不過放在電池上，二者的含義有點不同。Power 代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。
如果想讓商務噴射客機充電一次飛1000 公里，需要強大的電池，在非常短的時間內釋放足夠大的能量，在起飛時尤其如此。所以說，光是在電池中儲存大量能量還不夠，還要以很快的速度釋放。
如果想解決功率問題，就要深入了解一些商務電池的內部結構。我們總是炒作新電池技術，主要是因為我們沒有深入觀察內部細節。
鋰離子電池的內部原理
在我們使用的電池中，最常見的化學物質是鋰離子。大多專家認為，在未來10 年甚至更長的時間內，沒有其它化學物質可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個電極（陰極和陽極），還有一個分離器（一種傳導離子而非電子的材料，可以防止短路），分離器放在中央，還有電解液（通常是液體），它讓鋰離子在兩極之間來回流動。當電池充電時，離子從陰極流向陽極，當電池放電時，離子向相反的方向移動。
我們不妨將它想像成兩塊麵包，左邊一塊是陰極，右邊一塊是陽極。我們不妨假定陰極是由鎳、錳、鈷片(NMC) 組成的，陽極是由石墨組成的，它相當於讓碳原子一層一層疊加。
在放電狀態下，NMC 「麵包」在夾層之間會有鋰離子夾心。電池充電時，鋰離子從夾層中提取，被迫穿過液體電解質。分離器確保只有鋰離子能穿過石墨層。當電池完全充滿電，陰極不會有再有任何鋰離子，它們全都整齊排列在石墨塊之間。當電池釋放電能時，鋰離子向陰極回流，直到陽極沒有任何鋰離子。此時我們就要再次給電池充電了。
特斯拉：用磷酸鐵鋰電池提高充電速度
從本質上講，電池的功率是由處理速度的快慢決定的。要想加快速度沒有那麼簡單。將鋰離子從陰極中抽取，如果速度太快，層會受損。正因如此，手機、筆電、電動汽車使用時間越長，電池壽命也全變短。每一次充電放電，都會讓「麵包塊」變得脆弱。
許多公司正在尋找更好的解決方案。有一種構想是這樣的：用結構更堅固的物質替代電極層。例如，瑞士電池公司 Leclanché 正在開發一種技術，它用磷酸鐵鋰（LFP）作為陰極，擁有橄欖石型結構，用鋰鈦氧化物（lithium titanate oxide，LTO）作為陽極，它擁有尖晶石型結構。用這樣的材料製作電池，鋰離子流動效率更高。
目前 Leclanché 已經將自己的電池裝進無人駕駛堆高機，9 分鐘就能充滿100% 的電量。對比特斯拉超級充電器，它為特斯拉汽車充滿50% 的電量大約要10 分鐘。在英國，Leclanché 正在部署，想將自己的電池裝到快速充電電動汽車上。電池裝在充電站，緩慢從電網吸收電量，直到完全充滿。當汽車入站，電池會給汽車電池快速充電。當汽車離開，充電站的電池又開始充電。
Leclanché's 的研究向我們證明，人類完全有可能找到更好的電池化學物質，增強電池功率。不過到目前為止，人類還沒有找到能量釋放足夠快、可以滿足商務飛機需要的電池。一些創業公司正在開發小型飛機，最多可以坐12 人，它們可以安裝能量密度更低的電池，或者是電力混動飛機，當飛機起飛時用燃油，巡航時用電池。
可惜，雖然研究的公司很多，但沒有一門技術接近商用。卡內基美隆大學電池專家 Venkat Viswanathan 說，純電動商務飛機需要的電池可能還要幾十年才能研究出來。
提高電池能量為何要從電極下手？
Model 3 是特斯拉最便宜的汽車，最低價35000 美元。汽車裝備50 千瓦時電池，成本大約8750 美元，佔了汽車總價的25%。
相比前幾年，這樣的成本已經降了很多。根據彭博新能源財經的報告，2018 年鋰離子電池的平均成本大約是每千瓦時175 美元，2010 年約為1200 美元。
按照美國能源部的計算，一旦電池成本降到每千瓦時125 美元，擁有並使用一輛電動汽車的成本就會汽油汽車低，至少在全球大多地區如此。並不是說到時在所有細分市場及主要市場，電動汽車會全面戰勝汽油汽車，比如，長續航卡車用電池驅動還不是很合適。不過如果到了這一轉折點，大家選擇電動汽車就會變得更容易，因為從經濟角度看已經可以接受了。
要想達到這一轉折點，有一個辦法就是增加電池的能量密度，向電池組擠入更多的千瓦時。從理論上講，我們在電池化學方面是可以做到的，要嘛增強陰極的能量密度，要嘛增強陽極的能量密度，要嘛同時提升。
在商用材料中，能量密度最高的陰極是NMC 811（數字代表鎳、錳和鈷的比例）。不過這種電極仍然不完美。最大的問題是電池的充放電循環次數相對較少，然後就沒法用了。不過專家預測，在未來5 年內，行業研究人員將會解決NMC 811 問題。如果真的做到，使用NMC 811 的電池能量密度將會提高10% 甚至更多。
儘管如此，提升10% 也並不是很多。在過去幾十年裡，出現不少創新，陰極的能量密度的確提高了，現在機會在於陽極。
矽陽極電池
製造陽極時，石墨仍然占主導地位。便宜、可靠、能量密度也可以，這是它的優勢。不過與其它潛在的陽極材料相比，比如矽、鋰，堆疊時石墨相對比較脆弱。
從理論上講，矽吸收鋰離子時比石墨更好。正因如此，一些企業設計陽極時，才會嘗試向石墨內擠入一些矽；特斯拉CEO 馬斯克曾說，他的公司正在開發此類電池。
如果能製造出在商業上可行的矽陽極（完全用矽製造），那會是一大進步。不過因為矽元素有一些自身特點，很難做到。當石墨吸收鋰離子時，體積不會有太大變化。如果是矽陽極，在相同的條件下會膨脹到原來的四倍。
真遺憾，你不能只是擴大外殼，讓它適應膨脹，膨脹還會破壞矽陽極「固體電解質膜」（SEI）。
你可以將SEI 視為保護層，它可以保護陽極，就像鐵產生鐵鏽一樣，也就是所謂的氧化鐵，它能起到保護作用。當外面多了一層，與氧氣的反應就會減速。在鐵鏽之下，鐵的氧化速度會變慢，內部更堅固。
當電池第一次充電時，電極會形成自己的「鐵鏽」層，也就是SEI，將電極未被侵蝕的部分與其它部分分離。SEI 可以阻止其它化學反應，防止電極遭到侵蝕，確保鋰離子能夠盡可能平穩地移動。
如果引入矽陽極，當我們用電池給其它設備充電時，每一次SEI 都會分解，每次充電之時再度形成。在每一個充電循環週期中，會有一些矽被消耗。最終，矽消耗會達到一定程度，然後電池就不能再用了。
在過去10 年裡，一些矽谷創業公司不斷尋找解決方案。例如，Sila Nano 找到一種方法，它將矽原子封裝在奈米殼內，裡面有許多的「空房間」。這樣一來SEI 就會在殼外形成，矽原子膨脹是在內部發生的，每次充放電循環時不會破壞SEI。Sila Nano 的估值達到3.5 億美元，它曾說技術最快2020 年就會用於設備。
還有 Enovix，它引入特殊製造技術，將100% 的矽陽極置於極大的物理壓力環境，迫使它盡可能少吸收鋰離子，這樣一來陽極的膨脹就會受到限制，防止SEI 損壞。Enovix 拿到了英特爾、高通的投資，預計它開發的電池會在2020 年用於設備。
從這些企業的研究看，矽陽極無法達到理論高能量密度。不過兩家公司都說，相比石墨陽極，它們的電極表現更好。第三方正在對電池進行測試。
小米11 Pro、小米11 Ultra：矽氧負極電池
而最近小米發表的「矽氧負極電池」也是從電極來解決的解法，小米表示，在電池負極增加了矽氧化合物，能夠有效降低了矽顆粒分化的風險，安全性大大提高。讓手機的電池達到在相同容量下，更輕薄容量更大的效果，而留出的位置可以用來提供給更多的元件或是散熱之用。
目前，矽負極電池作為電池材料的新方向，已經應用在部分電動車的電池上，而手機業則可能是這種新材料電池的下一個發展。小米表示，隨著矽氧負極電池的持續發展，手機電池將變得充電更快、更輕薄、又兼具大容量特性，這會是電池技術的未來方向。
用了會爆炸？固態電池解決安全問題
為了充入更多的能量，對分子進行修補，可能會影響安全。自發明以來，鋰離子電池總是因為起火引起麻煩。1990 年代，加拿大 Moli Energy 開始將鋰鐵電池用於手機，正式商用，不過到了現實世界，電池存在起火隱患，Moli 被迫召回產品，最終公司申請破產。公司一些資產被中國台灣企業收購，Moli 自己現在仍然打著 E-One Moli Energy 的品牌名義銷售鋰電池。
最近，三星Galaxy Note 7 也因為電池起火被召回，手機裝備的是鋰離子電池。2016 年召回時，三星損失53 億美元。
鋰離子電池仍然有起火隱患，因為它們大多都用易燃液體作為電解質。真是不幸，液體能夠輕鬆運輸離子，但它們卻容易起火。有一種辦法就是使用固態電解質。不過固態電解質也有其它缺點。固體更堅硬，你不妨想像一樣，將骰子扔進水里和沙裡，在水中它接觸的表面會比沙子多很多。
目前，只有低能耗環境才會用上固態電解質鋰離子電池，比如互聯感應器。為了擴大固態電池的應用範圍，大家一般有兩個選擇：一是高溫固體聚合物，二是室溫陶瓷。
我們再解釋一下：
高溫固體聚合物：聚合物是很長的分子鏈連接在一起。在日常應用中，這種材料很常見，塑膠袋就是由聚合物組成的。當一些聚合物加熱之後會變得像液體一樣，不過它們不像液體電解質那麼易燃。換言之，它們擁有很高的離子電導率，就像液體電解質一樣，但是沒有易燃風險。
可惜，聚合物也有自己的局限性。它們只能在105 攝像度以上工作，不適合手機。不過我們可以在家用電池中引入，用來儲存電網電能。至少有兩家公司正在開發，一是美國 SEEO，二是法國Bollor，它們都在開發新固態電池，用高溫聚合物作為電解質。
室溫陶瓷：在過去10 年裡，有兩種陶瓷向我們證明，在室溫環境下，它的離子導電率和液體一樣好，一是 LLZO（鋰，鑭，氧化鋯），二是LGPS（鋰，鍺，硫化磷）。
豐田與矽谷創業公司 QuantumScape 都在開發陶瓷鋰離子電池。卡內基美隆大學專家Viswanathan 說：「在未來2 年或者3 年，我們極有可能會看到一些真正的陶瓷電池出現。「
最終只是平衡
電池是一項大業務，市場規模還在增長。錢在那裡，企業家也就湧向那裡，帶來各種創意。不過電池創業公司處境艱難，因為失敗率比軟體企業高。為什麼？想在材料科學領域取得突破是一件很難的事。
電池化學家發現，當他們嘗試提高一極時（比如能量密度），另一極就會削弱（比如安全）。因為要保持平衡，想在各個方面取得進步就會很難，速度很慢，還會帶來多種問題。
不過瞄準電池的專家也越來越多，這是一個好消息。MIT 專家Yet-Ming Chiang 說，與10 年前相比，美國研究電池的科學家多了2 倍，成功的機率上升了。電池的潛力相當巨大，考慮到挑戰很大，難度很高，當我們聽到某人說新電池有多好時，最好還是帶著懷疑的眼光審視一下。
- 本文授權轉載自：ifanr
參考來源：https://www.techbang.com/posts/85506-three-challenges-for-car-batteries