颠覆汽车电池产业秩序：来自大海的新型电池？ – 几何四驱

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颠覆汽车电池产业秩序：来自大海的新型电池？

撰文：徐鸿鹄｜排版/校审：王晓峰

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引

汽车电池的「终极形态」是什么？

这个问题的提出，来自于几个月前不经意间这条消息的推送：

近期，IBM电池研究实验室通过利用从海水中提取的三种成分，制造一种不含金属的新型电池，有望取代锂离子电池，暂未向外透露具体成分。且IBM为加快商业化发展，与奔驰、电池电解质供应商Central Glass展开合作。

这则新闻引起了我的兴趣。

IBM作为一家非典型制造企业，怎么会与电池研究产生联系呢？

而关于海水当中提取的三种成分，又是什么？为何如此神秘？

作为一个理性的思考的人，我知道，技术不是凭空出现的，总有其自然的来源，已知物理现象的发现，掌握和组合都需要时间。人类历史上，还没有哪一种大规模应用的技术是从0开始直接到商业化的——更何况，还是电池技术这项进步要以20年作为一个周期才能实现升级的产业。

壹

为解答以上疑问，有必要回顾以下锂离子电池的发展轨迹。

即便锂离子如今取得了巨大的成功，但它的发展却并非一帆风顺。也许，从回顾的这个历程当中，能找到电池发展的脉络，从而推演并未来电池的蛛丝马迹。

锂离子电池的一般定义是：“以碳材料为负极，以含锂离子的金属氧化物为正极，基于电化学嵌入的非水电解液二次电池” 。这个定义当中包含了很多陌生的概念，最核心的非“非水电解液二次电池”莫属了。

“非水电解液二次电池”这个短语，拆开解释就是：锂离子电池是一种可以反复充放电的 “二次电池”，使用 “非水电解液”。

那“非水解”又是什么呢？

我们知道，在开发出采用锂的电池之前，电池一般都是干电池或铅酸电池等使用水溶液的产品。锂离子电池之所以能变得如此小且轻，为IT革命作出贡献，是因为找到了用有机溶剂取代水的电解法。最先提出这个方法的人是哈里斯博士，他于1956年在学位论文中提出的这个方案。

可以这样说：如果没有非水电解这个新想法，就没有现在的锂离子电池。

再来看“电化学嵌入” — 这是指“锂离子的脱出和进入”。

早在1975年，斯坦利·惠廷厄姆教授首次提出提出了该基础现象，并将此现象应用于电池技术当中。有了哈里斯博士和斯坦利教授的发明，人类距离锂离子电池的发明更近了一步。

接下来是 “以含锂离子的金属氧化物为正极。”

这点之所以很重要，原因就在于不含锂离子的金属氧化物无法实现锂离子电池。

这个决断性的说法就诞生于惠廷厄姆教授提出其方案5年后的1980年。

在这一年，全球首次发现了名为 “钴酸锂” 的含锂离子的正极材料。发现者是约翰·古迪纳夫博士。

至此，惠廷厄姆博士提出了电化学嵌入法，古迪纳夫博士发现了正极材料，正极有了，那最后的一块拼图负极呢？——这正是日本吉野彰的贡献。

他针对这种正极材料，“利用碳材料作为负极” 的组合配套方案，最终在1985年完成了锂离子电池的原型。

纵观历史，从1956到1985，锂离子电池的原型终于从无到有。

10年之后的1995年，锂离子电池突然变得畅销起来。

这一年，“Windows95”宣告面世，世界开始逐渐步入移动IT时代。

锂离子电池作为IT设备电源与IT产业一起实现了迅猛增长。

1995年到2002年的IT革命之后的2003年到2006年，锂离子的发展势头有所减弱。

2006年开始，锂离子电池又开始借助出行革命和能源革命成为热点。

贰

能源革命，出行革命的字眼出现的频率越来愈高。

能源和环境问题为锂离子电池带来了全新的发展机遇。

2020年的今日，已经没有人能够忽视这次变革了。

锂离子电池的原型先后跨越了二十年，IT革命花掉了20年，如今汽车电池又用了20年，而汽车之后，还跟着能源革命。据此有理由猜测，这也是一个20年的周期。

世界上没有新鲜事，如果讨论IBM的“新型电池”，对于电池这一复杂的电化学产品来说，我相信，那绝不会是“横空出世的”黑科技，而一定是现有技术的自然延伸。

目前除了炙手可热的锂离子电池，多种技术也在平行发展。锂固态电池，钠离子电池，镁电池，乃至于更遥远的铝电池，钙电池等等

按照日本最乐观的时间表，后锂离子电池时代至少要在10年后才开始发端，并在2040年开始成为主流。哪一个选项会是最佳备选呢？

回看IBM充满噱头的报道，里面提及了不含重金属，从海水中提取。简单粗暴的排除法，这里否定了含钴和含镍的方案，也否定了那些含有地壳里镁，钙，铝等元素的方案，毕竟，海水里有用不尽的钠。

IBM高层还补充说：

IBM不一定最终会使用更该设计来制造产品…这种电池的的原型要在一年后才能制造出来。

这就有点让人匪夷所思了。IBM如此高调，却又对技术路线秘而不宣，原型产品还如此遥远，越发让人看不懂了。

IBM透露，该技术使用了一种不含钴和镍的阴极材料，以及一种更具有高闪点的安全液体电解质。这种阴极和电解液的独特组合证明了在充电过程中抑制金属锂枝晶的能力，从而降低了可燃性，从而可能去除使用金属锂作为阳极材料的一个重大缺点。

在继续讨论之前，不如先了解下日本方面对锂离子电池改良研究方面的进展——毕竟这是IBM当前竞争对手的现状：

2016年10月，东京大学等机构的研究小组开发了一种能够在常温条件下保持稳定性能的液体，可用来代替现在作为锂离子电池的有毒电解质被广泛使用的有机溶剂，这一进展能大幅降低锂离子电池的生产成本以及火灾事故风险。
2017年4月，日本东北大学和大阪大学利用硅屑开发锂离子电池的负极材料。硅存在着因反复充放电会快速老化的问题。即随着充放电过程中锂的嵌入和脱出，硅的体积会发生巨大变化，因此在反复充放电过程中容易损坏，造成容量减小。而且，液体电解质每次充电都会在硅表面分解，这会使容量减小的问题更加突出。于是，研究小组通过改变硅屑的粉碎方法，将硅屑制成厚约16纳米的薄片形状，硅屑就会在充放电的过程中变成褶皱状构造。这种结构的负极材料即使重复充放电800次也能够维持平均每克每小时1200毫安的容量。这个容量相当于使用石墨时的容量的约3.3倍。
2019年10月，日本关西学院大学与大阪大学组成的研究团队发现，在采用有机物作为电极材料的锂离子电池中，混合两种单独使用特性很低的有机分子（研究团队此次混合的两种有机分子是中心携带正电荷的圆盘状有机分子和携带负电荷的圆盘状有机分子，开发了名为电荷转移络合物的材料），这个研究能低成本地合成一种高稳定性，同时锂离子能实现高速进出的大容量电极材料。

在全球经济信息时代，任何技术的诞生都离不开产业链的支持，信息的流通也显著增加了竞争压力，在一项通用基础研究方面，很难有谁能够取得垄断优势。

如果IBM也是与日本同行的研究保持同步的话，竞争是大概率事件，而非平地惊雷的一项全新技术——毕竟材料学与制药行业有诸多相似之处，在这里，不同于IT产业的“反摩尔定律”才是主导研发的逻辑。

锂离子电池改良方案值得重点研究在于：

一方面解决了安全的痛点，提升了电池多方面的性能（成本，充电时间，功率密度，效能等），另一方面规避了钴镍开采带来的环境问题和人道危机。

回顾IBM的新闻，还发现了IBM的合作伙伴 — Sidus。

在Sidus的主页文章里，不难发现有关固态电池字眼。

那么，IBM的技术是否与固态电池有关呢？

毕竟，固态电池有其先天优势，令人无法拒绝：

固态电池采用的是无机固体电解质，这种电解质不同于锂离子电池，能够充分发挥固态电解质的阻燃性及热稳定性和化学稳定性— 即使提高能量密度也能确保安全性和耐久性。
固态电池还能简化电池组的冷却系统和冒烟起火时的排气系统的设计，从而提高体积能量密度。
全固体电池有望使电动汽车的充电时间降至10分钟以内，实现超快速充电。

以上都是固态电池潜在即将带来的惊喜。不过，要想实现期待的这些性能，还存在很多瓶颈：比如电池单元的结构、材料构成和制造工艺等基本研究还在概念和测试阶段，大部分人认为，前路漫漫。

固态电池距离最终成熟还有多久呢？

叁

在研发领域，时间表的制定通常无法准确估计，研发毕竟是一项高投入高风险的事业。但从日本媒体的报道来看，也许能窥探一二。

早在2013-2017年度，日本开展了一项“先进创新蓄电池材料评估技术开发一期”项目，作为这个项目的递交物，官方宣称：开发了全固态锂电池的标准电池模型（200mAh级单层层压单元）以及利用该模型的材料评估技术，并对企业和大学等面向全固态锂电池开发的固体电解质和电极活性物质等进行了评估。

基于这一成果，目前，日本已经启动了全固态锂电池研发二期项目。

二期项目不同于一期项目，第一代全固态锂电池和新一代全固态锂电池都将是二期项目的研发对象。同时，一期项目的评估技术是为了掌握材料的基本特性，而二期项目的评估技术将进一步升级，将评估量产性以及是否适用于EV等研究。

按照计划表，预计目前研究开发比较领先的、采用硫化物固体电解质的第一代全固态锂电池将在2025年左右成为主流。

到2030年左右，采用具备高离子导电性的硫化物固体电解质或者化学稳定性较高的氧化物固体电解质的新一代全固态锂电池将成为主流。

无疑，这是一个宏伟的计划。

那具体执行层面又如何呢？

2018年4月，日本即宣布开发出全固体电极材料热稳定性评测技术，在确认全固体电极材料发热反应机理的道路上又前进了一步。

在这个研究中，研究人员采用了以与晶体硅相比更能耐受体积变化的非晶硅为基本材料，并导入纳米多孔结构的硅负极膜。此外，还用不会在硅表面分解的固体电解质代替液体电解质，结果显示，即使反复充放电100次，也几乎没有出现容量降低现象。

这意味着，大容量的硅负极能在全固体电池内稳定工作，安全可靠的全固体电池实现大容量化是可行的。

2018年12月，东工大等实现超低界面电阻——解决全固体电池另一个瓶颈性的问题。

在固体电解质与电极形成的界面上，锂离子的电导率比较低（也即界面电阻高），成为阻碍全固体电池实用化的一大课题。即使开发出锂离子电导率较高的固体电解质和电极材料，如果这两种固体材料的接触界面的电阻很高，仍然无法实现能高速充放电的优质电池。

此次的成果就显得意义重大了——通过优化固体电解质和电极的形成过程，可以实现超低的界面电阻。按照这一思路改良全固体电池的制作过程，便有望开发出高性能的全固体电池。

越来越有趣了，既然日本同行们没有懈怠，IBM们的底气又在哪里呢？

直到我在Sidus主页上又发现了这段文字：

在材料科学探索与创新史的基础上IBM Research的电池实验室采用多学科方法，将材料科学、分子化学、电气工程、先进电池实验室设备和计算机模拟相结合，借鉴了IBM Research推进材料科学的历史。

Sidus的意思，IBM的底气无疑是弯道超车，就在于研究方法本身，而非某项具体的电池技术。

要知道，IBM在计算理论方面的研究能力，从来不逞多让。

如果半个世纪前计算理论方面的进展无法让你印象深刻，你就无法想见到今日电池技术将如何发展。

早在上世纪70年代，化学家的专门知识就已经被程序化了：「SHRDLU」被用在质谱学当中寻找分子结构式。计算机程序「MYCIN」还可以模拟一个掌握了细菌感染医学知识的医生。

还有一些程序能够从经验数据归纳出“定性定律”：「GLAUBER」，「STAHL」，「DALTON」它们通常应用在化学领域，这些程序能为某种现象归纳结构和解释模型。

「STAHL」专注于确定化学物质的构成，「DALTON」则关于一个反映所涉及的粒子数量，前者可以被看作后者的模型基础。还有专门用来「实验设计」（DOE），并与与其他科学研究活动之间互动的知识系统，这就是「KEKADA」程序，包括了假说生成器，实验选择器，预期设定器等等，可以用来给生物化学的一个实验设计建模（比如1935年发现的克雷布斯的尿素循环）。

在面临一个新的问题时，假说生成器创造假说，假说或策略建议将选择一个策略来执行接着实验建议者会推荐一个要执行的实验。然后预期设定器设定一个期望而试验器执行实验，试验器的结果由假说修改器和信心修改器进行解释，如果可行，问题产生器会在议事日程上增加一个新的问题，如果实验结果违背了对它的期望，那么这个疑难现象的研究会被设置为一项任务，并增加到议事日程里。

这些被称为专家系统的知识成果，早已经开满了科技树变得枝繁叶茂了。

IBM令人敬畏之处在于，早先其研究发明的化学放大技术，已经推动了摩尔定律的发展和进步，开创了一个更快、更便宜的半导体发展时代——如今半导体已经成为电子设备的支柱。

有理由相信，当开始探索解决与电池相关的挑战的方法时，IBM 强大的基础设施将再度发力，让人们从分子和原子层面研究电池是如何工作的。

原子力显微镜是IBM研究人员开创和发明的——目前这种方法已经让无数的科学家，包括开发新电池技术的团队，能够在极其精确的水平上研究材料之间的作用力和运动。

结合材料创新和催化领域的专业知识，从塑料回收到半导体制造，再加上对化学机理的深入理解，IBM研究中心的电池实验室的团队对电池的理解已经相当深入。

此外，发挥IBM的优势，利用人工智能加速材料发现在前进的道路上，IBM团队还实现了一种称为语义丰富的人工智能（AI）技术，通过识别更安全、性能更高的材料，进一步提高电池性能。利用机器学习技术，IBM让人类研究人员能够从数百万个数据点获得洞察，从而为他们的假设和下一步行动提供信息。”

成百上千的专家系统和人工智能技术的介入，在数个领域证明了少量知识对决策行为的重要性。尽管依然有诸多制约，但阶段性的成功印证了古老的寓言：“知识就是力量”

在此之前，开发过程大都是基于逻辑的推理和解决问题的理论。但在高维玩家的介入下，电化学和材料领域即将经历一次伟大的「范式转换」。

数据科学，人工智能的进步带来的乘数效应，大大加快了电极材料的发现速度。IBM发挥专家系统，人工智能的研究优势，正在运用全新的方法论加速电池产业的进步。

虽然IBM报道中的神秘配方一度被人猜疑是否已经存在，但IBM的这个对手永远值得警惕。

当然，美国人的杀手锏绝不仅仅是IBM，也绝不只体现在专家系统的角度。在具体电池攻关项目上也进展颇丰，仅举近期一例：美国劳伦斯伯克利国家实验室的Gerbrand Ceder教授发现在电极材料中，将类尖晶石的阳离子序列与过量的锂相结合能够同时实现高能量密度与高功率密度。

美国之外，欧洲战队也不甘落后，在其《电池2030+》长期电池愿景使命当中，就提出了电池界面基因组（BIG）–材料加速平台（MAP）计划，将采用人工智能（AI）大幅减少电池材料的开发周期。

全新数字技术和全新测试方法的大规模使用，将逐步构建基于不确定性的电池材料的数据驱动物理模型，此外，数字化工具将包容电池材料开发和开发周期所有领域的数据。而建立自动化的工作流程，则可用于识别在不同时间尺度下的信息流。以上这些，都是这一计划近期的攻关目标。

在中长期，则能够集成计算建模自主合成材料表征；展示电池材料的逆设计过程；在发现和预测过程中直接集成来自嵌入式传感器的数据等全新理念也将成熟。最终，电池基因组平台将建立完全的自主开发过程，体现集成电池单元组装和设备级测试，并包含材料发现过程中的可制造性和可回收性，实施并验证用于电池超高通量测试的数字技术。

按照欧洲同行的说法：

“BIG-MAP基础设施模块化设置，全系统具有高度的通用性，以便能够容纳所有新兴的电池化学体系，材料成分，结构和界面。另一方面，MAP将利用人工智能（AI）从许多互补的方法和技术中集成和编排数据，整合计算材料设计，模块化和自主性综合机器人技术和先进表征，实现全新的电池开发策略。促进材料，工艺和设备的逆向设计和定制。最终，在MAP框架下由每个核心元素构建概念电池，开发出具有突破性的电池材料，极大提高电池开发速度和电池性能。”

而在大洋的另一端，日本团队也在材料信息学上有所斩获，显现出了他们的前瞻性：

2019年9月，运用材料信息学，锂电负极用有机材料实现全球最高性能。在日本科学技术振兴机构（JST）牵头利用材料信息学（MI）确立了锂离子二次电池负极用有机材料的新设计指南，通过非常少的实验数据成功获得了具备大容量和高耐久性的材料。