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特斯拉或发明能续航百万英里的电动汽车电池

2019-10-21 13:20:45 Steve LeVine 阅读:
2019年的诺贝尔化学奖揭晓后,约翰·古迪纳夫的研究将人们的视线转向了电池行业的发展,近期,特斯拉宣称已经发明出了能续航百万英里的电池,可供一辆汽车行驶足足76年。埃隆·马斯克的这项技术或将成为未来所需的无人驾驶汽车研发的关键。

自从爱迪生以来的一个世纪中,电池的世界夹杂着夸张和小谎言。美国大学和私人实验室通常会宣布所谓的重要新飞跃,但当摄像机消失之后,他们就会沉默了。vBXednc

很多人都对特斯拉的CEO埃隆·马斯克存有怀疑,包括美国监管机构和华尔街,因为他总是会提出一些没法实现的要求,有时还直接违反法律。但现在,这个让人生疑的汽车制造商却申请了一种电池系统的专利,这个电池可以保持续航一百万英里,对于普通美国人来说,足足够驾驶76年。vBXednc

曾经有人需要这这么一辆车么?不清楚。但是如果你是马斯克,那么你会发现,未来会有一支车队,可以在车主不使用的时候,转变成为无人驾驶或是自动驾驶的出租车,他希望这支车队将会成为特斯拉的一个新的巨大盈利点。vBXednc

欧美前沿的电池研究人员虽然对特斯拉这个系统的成本不是很确定,但有一份新鲜出炉描述续航百万英里电池的学术论文却是严谨而又令人信服。“它的结论是惊人的,”加州大学伯克利分校材料科学教授Gerbrand Ceder这么说道。vBXednc

加拿大达尔豪斯大学教授Jeff Dahn是这篇论文的作者,他和特斯拉签过合约。这篇论文主要提出了无人驾驶出租车,公共汽车和二轮半拖车的实质性进步。用有二十年寿命的网格电池,这些车只要20分钟就能充好电。这些正是新电时代最大的野心,而一种新的锂离子电池,正如如Jeff Dahn所说的,将大大恢复马斯克在应用尖端技术领域的声誉。vBXednc

如果你是马斯克,那么你会发现,未来会有一支车队,可以转变成为无人驾驶或是自动驾驶的出租车

在过去的四到五十年中,很少有发明能像锂离子电池那样对不起眼的电池行业产生影响。也正是这项技术使20世纪突破性的电子杰作——晶体管——摆脱了家庭和办公室的电源线束缚,成为移动电子革命的引擎。锂离子的心脏——阴极——于1981年由约翰·古迪纳夫发明(当时他在牛津大学任教,而现在是美国德克萨斯大学的教授),十年后,由索尼公司推向市场。像您现在阅读这篇文章所拿的手机里,就肯定有古迪纳夫的发明。从那以后,包括Jeff Dahn在内的研究人员发明了三四个相互竞争的锂离子配方,但它们却都保留了古迪纳夫的原始架构。四十年后,古迪纳夫的基本想法仍然是电池行业的金科玉律。vBXednc

关于锂离子要了解的另一件事就是它与晶体管的区别。摩尔定律描述硅芯片大约每18个月就得将其功率翻倍,但电池没有类似于摩尔定律的规则。如果锂离子以硅的速度被提升了,那么到现在它可能几乎已经将化石燃料赶出了运输业,还能一并解决气候变化的问题。自1981年以来,虽然锂离子已有所进步,但却并没有达到这个速度。vBXednc

十年前,锂离子电池的成本超过$ 1,100/kWh,这是衡量能量密度的指标。在当时,美国能源部设定了$ 100/kWh,算是里程碑一样的目标。如果能达到,那么电气设备将会和汽车就争夺首要地位来一次正面交锋。对于像我这样年复一年在行业会议上听到各种目标的人来说,就很荒谬,因为我从没有听说过有哪个研究人员认为这种想法是可行的。vBXednc

但是,根据可再生能源研究公司BloombergNEF的最新研究,感觉已经差不多了。去年,成本已经下降到平均$176/kWh。BNEF还表示,在五年之内,它将会降至100美元以下。vBXednc

在一定程度上,汽车制造商将节省下来的成本以更低的价格推向市场,那么电动汽车的销量可能会激增。BNEF设想电动汽车制造商会做到这一点。到2040年,电动汽车将会因为汽油赢得这场战争:会有57%的美国乘用车将会销售电子车,而且在全球范围内,电动汽车将会占道路上所有行驶汽车的近三分之一。vBXednc

除了约翰·古迪纳夫本人之外,在这个电动汽车时代,没有一个人能比马斯克和他的公司特斯拉更能发挥作用了。就在2008年马斯克决定接管特斯拉之后,电动汽车便成为了当今一个主要的严肃话题。四年前,Jeff Dahn(他自己是电池领域的那几十个或十几个最重要的思想家之一)决定要加入马斯克的公司,一起做特斯拉的项目。他放弃了与3M长期独家的商业合作关系,和特斯拉签了一份五年的工作协议。vBXednc

在一封电子邮件中,Dahn将问题转给了特斯拉,特斯拉没有回复。但是在四月,马斯克又说了几句明显是弥天大谎的话:因为一系列小错误就遭到了华尔街的攻击——和Joe Rogan抽大麻的时候,在推特上讨论了将特斯拉私有化的计划,就错过了一个接一个特斯拉主流车型Model 3的生产目标——马斯克脱口而出说,到明年年底,特斯拉将拥有一个续航一百万英里的电池和上百万的无人驾驶出租车。vBXednc

马斯克表示,将深入研究,他准备把电池安装在特斯拉Model 3里,这些汽车也会有可以连接到自动出租车网络的必备软件。如果特斯拉车主想要在工作或闲逛时赚外快,那么就可以让自己的汽车作为无人驾驶出租车投入使用,其中25%至30%的收入给特斯拉,许多大型高科技公司基本都使用这种盈利模式。马斯克说,司机拥有其他任何一辆汽车都会非常兴奋,因为这样,特斯拉将会获得一个丰厚收入的新渠道。vBXednc

由于几乎没有其他汽车制造商想在十年甚至也可能永远不会生产出完全自动驾驶的商用汽车,因此马斯克的宣传立即就招来了质疑声。事实证明,要使无人驾驶汽车真正保证安全,尤其是在无法预测的人类社会中,面对的挑战比几年前大多数人想象的要艰巨得多。vBXednc

但是当时虽没有人这么想过,但这次马斯克的想法却不是一般的夸夸其谈。去年八月,特斯拉已经为两项Dahn的发明申请了临时专利,两项发明都涉及百万英里电池(临时专利是在真正完成一项发明之前所提出的,有一年的时间来完成它)。9月12日,也就是在Dahn论文发表的几天之后,特斯拉就表示这项发明已经准备就绪,并申请了两项专利。vBXednc

在这个宣言中,至少在电池领域,使马斯克拥有一些可信度的主要原因就是Dahn的存在。Jeff Dahn是一位胆大心细的物理学家,从不胡说八道,反而是呼吁做过类似事情的同行们一起研究。换句话说,他是和马斯克完全相反另一面的马斯克。vBXednc

多年以来,Jeff Dahn一直在讲“可以永久使用的电池”。对于他的同行来说,在目前人类平均寿命的大环境下,Dahn就刚好已经发现了这项技术。vBXednc

这篇论文发表在《电化学学会杂志》上,由Dahn和13位合著者共同发表,内容惊人的全面,措辞还有些傲娇。它在第一行就明确提出会为将来的研究奠定一个“基准”,这个基准是同行和公司用在所有类型电池研发生产的基准。但是,Dahn有着“不爱讲废话”的名声,他们不仅公开了数据,还让同行们复制其研究结果。他们以一种不寻常的方式将仍然工作的电池单元附加到条形码上,并使它们可以在线追踪。vBXednc

为了这个事情,我联系了六个研究人员,他们似乎都对Dahn的假设不以为然。但就现在的情况看来,Dahn似乎对能带领这个领域发展地更好感到十分满意。一位不愿意透露姓名的研究者说Dahn的电池没准儿“真的可能成为标准。”vBXednc

众所周知,特斯拉发展十分迅猛,但就像马斯克之前承诺的那样,一年之内仍然很难看到人们如何从Dahn的论文和专利来获取驾驶的便利。

现在这个技术受到欢迎的一个原因可能是因为论文没有描述全新的内容,只是Dahn和电池领域的其他人在很大程度上已经开发了一段时间的最佳实践的综合结果。vBXednc

当然,除此之外它也是有创新的。卡耐基梅隆大学的教授Venkat Viswanathan认为,Dahn的主要进步在于一个“秘密武器”——那就是电解质,它是促进离子在两个电极之间运动的重要液体。Dahn向它里面添加了乙酸甲酯等化学物质,就可以实现快速充电而又不损坏电池的结果。vBXednc

并且,为了实现生活的跨越式发展,Dahn从根本上改变了电池的结构。当前的电池在充放电循环中易于破裂,但是,当扩大构成阴极的晶体时(将相对较小的多晶颗粒换成较大的“单晶”),裂纹就会减少甚至消失。“单晶晶体更坚固,”英国法拉第学会程序管理负责人Allan Paterson这么说道。vBXednc

众所周知特斯拉发展十分迅猛,但就像马斯克之前承诺的那样,一年之内仍然很难看到人们如何从Dahn的论文和专利来获取驾驶的便利。vBXednc

伊利诺伊州电池投资公司Volta Energy Technologies的负责人Jeff Chamberlain表示,成功扩大电池规模的关键是Dahn的方法所需要的花费是多少,这是电动汽车商业化以及利用太阳能和风能发电的核心问题。一位研究人员告诉我,Dahn的方法所需的成本可能比目前的电池高15%至20%,但是随着百万英里电池生产规模的扩大,这种成本差距可能会缩小,尤其是当其他汽车制造商采用这种方法的时候会更加明显。换句话说,这正是特斯拉想要的。vBXednc

这是电池化学本身的一个中心问题。电池似乎并不能点燃大多数人的激情,但对于马斯克来说,确实可以。在这种情况下,他可能是地球上唯一使用叫作NCA电池配方的电动汽车制造商。在2010年,我直接问过马斯克为什么不改用NMC,这是大家都在用的一个相对比较有竞争力的配方。他明显开始生气了。他说,如果他负责通用汽车的电动汽车计划,他要做的第一件事就是将NMC改为NCA。vBXednc

问题在于Dahn是NMC之父,而且他也确实很偏爱NMC。NMC是这篇论文的核心所在,显然这绝非偶然。为解决这个问题,Dahn把NMC作为解决马斯克提出的目标的解决方案——出租车和二轮半拖车。Dahn建议道,NMC甚至可以与当前特斯拉使用的金属圆柱形电池兼容。vBXednc

我向一些研究人员询问了二人角力的情况下会发生什么。他们的回应都很像,差不多都会说:“过去是过去,现在是现在:如果埃隆·马斯克能够生产出一百万英里的电池,自动驾驶出租车和快速充电也不会因为没有NMC而退化,他到时候会改变观点的。”vBXednc

确实,在特斯拉观察家Fred Lambert发表的一份报告中,提到韩国的《电子报》表示,LG Chem将为在中国销售的特斯拉Model 3s提供NMC电池。如果是真的话,这份报告为马斯克的野心又开拓了新的维度——如果他可以占领很大一部分的中国电力市场,他就会对NMC保持一个比较开放的态度。vBXednc

总之,Dahn是个难得能给马斯克带来好消息的人。“我们知道电池已经达到一个很长的使用寿命,而且设计也非常好。”伯克利大学教授塞德说:“这是第一个证据,证明这个事情其实比我们想象的要好得多。”vBXednc

本文译自写作平台Medium中原标题为“Tesla May Have Invented a Million-Mile Electric Car Battery”的文章,本文作者Steve LeVine,编译:未来汽车日报。责编:Demi Xia)vBXednc

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