鋰離子電池于1991年首次在索尼公司攝像機中向公眾推出，從此之后徹底改變了人們的生活。多功能鋰離子電池現(xiàn)在為醫(yī)療微型植入物、智能手機、叉車、電動汽車等各種設(shè)備提供動力。然而，鋰離子電池技術(shù)仍然不足以完全取代燃油汽車，另外其高昂成本難以解決太陽能和風(fēng)能大量儲能問題。

總部位于馬薩諸塞州的初創(chuàng)廠商Pellion 公司首席執(zhí)行官Dave Eaglesham認(rèn)為，該公司開發(fā)的電池產(chǎn)品超越了鋰離子電池的性能，這將使電池行業(yè)進(jìn)入下一個技術(shù)顛覆階段。該公司完成了研究人員幾十年來一直在努力的事情：開發(fā)了可靠的可充電鋰金屬電池。

雖然其他初創(chuàng)公司多年來開發(fā)了一些種類的鋰金屬電池，但是這些公司的產(chǎn)品都處在開發(fā)或測試階段；Pellion公司自2月以來已經(jīng)向至少一個客戶出售了此類電池產(chǎn)品。

Pellion公司開發(fā)的電池與傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度相比提高近一倍。例如，它可以使無人機在空中飛行時間增加一倍。與電池行業(yè)目前平均每年10％左右的效率改善相比，其能量密度增加100％，這是一個階躍性變化。如果Pellion公司克服了早期限制，其電池可能在為特斯拉汽車電池充電一次后提供800公里（500英里）的電力，而不是當(dāng)今400公里的上限。

鋰離子電池名稱是因為其帶電原子，也就是人們常說的“鋰離子”。當(dāng)電池充電和放電時，鋰離子在兩個電極（陽極和陰極）之間穿梭。

該技術(shù)的局限之一是鋰離子只能攜帶一個正電荷。在理論上，簡單地使用帶有兩個正電荷的鎂離子意味著在電池中包含更多能量。2011年，麻省理工學(xué)院博士后Robert Doe和其當(dāng)時的導(dǎo)師Gerd Ceder教授創(chuàng)建了Pellion公司，其目標(biāo)是開發(fā)鎂離子電池。在兩年內(nèi)，Pellion公司的實驗室開發(fā)出一個工作原型，但它有很多問題。盡管鎂離子電池工作正常，但在充電和放電等簡單事情上，它卻無法與鋰離子電池匹敵。

Pellion公司首席運營商 Eaglesham表示，“我們擁有世界上最好的鎂離子電池，但無法將其變成一種引人注目的產(chǎn)品。”然而，Eaglesham注意到，在構(gòu)建工作原型的過程中，Pellion公司已經(jīng)解決了行業(yè)長期存在的可充電電池挑戰(zhàn)之一：如何安全地將金屬放置在陽極上。

鋰和鎂等富含能量的金屬往往具有高度活性。當(dāng)一塊電池充滿能量密集的電解液時，會使系統(tǒng)更加危險。還記得爆炸的三星Galaxy Note 7嗎？

這就是為什么典型鋰離子電池使用由石墨制成陽極的原因。但是石墨陽極每六個碳原子只能儲存一個鋰原子，而完全采用由鋰原子制成的陽極代替石墨，也就是鋰金屬陽極，并將為電池節(jié)省了大量空間。

在今年1月發(fā)表的一項研究報告中，美國能源高級研究計劃局(ARPA-E)項目總監(jiān)Paul Albertus使用這張圖片來說明鋰金屬電池的能量密集程度：

Eaglesham向Pellion的新同事提出這樣的觀點，如果他們找到了一種安全使用金屬陽極的方法，與其絞盡腦汁克服鎂離子電池的缺陷，不如轉(zhuǎn)向研究鋰電池。這樣，他們可以利用鋰離子電池30多年的技術(shù)與經(jīng)驗來解決一些微小而重要的問題，如充電一致性或電壓波動，同時仍然可以制造能量密集型電池，并在蓄電池行業(yè)的創(chuàng)新方面取得進(jìn)展。

火災(zāi)的評判

科學(xué)家們早就認(rèn)識到，鋰金屬成為負(fù)極在理論上會產(chǎn)生更多的能量。事實上，20世紀(jì)70年代石油巨頭埃克森公司開發(fā)的第一個鋰離子電池陽極含有鋰金屬（?？松井?dāng)時正在研究電池技術(shù)，因為擔(dān)心終有一天石油將會耗盡。）該公司開發(fā)了一次性使用的鋰金屬電池，并實現(xiàn)商業(yè)化，甚至現(xiàn)在也用在專門的應(yīng)用，如深海鉆探。

可充電鋰金屬電池的商業(yè)化是一個更大的挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)80年代，加拿大創(chuàng)業(yè)廠商Moli Energy公司是第一個成功推出這種產(chǎn)品的公司。但其電池產(chǎn)品頻繁起火，該公司不得不進(jìn)行召回。這些事件導(dǎo)致法律訴訟，Moli Energy公司被迫宣布破產(chǎn)。

在可充電電池中使用鋰金屬會產(chǎn)生三大問題：首先，它可能和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)：水、氧氣，甚至氮氣（所有這些都存在于空氣中），使其更容易著火。

其次，鋰的活性意味著將與電池的液體電解質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，液體電解質(zhì)本身就是一種富含能量的介質(zhì)。這些不良反應(yīng)減少了可用的鋰，并且每次充放電循環(huán)都會使電池壽命惡化。

第三，當(dāng)鋰金屬電池放電時，鋰離子從陽極表面分離并移動到陰極。當(dāng)電池充電時，相同的離子返回并作為鋰金屬沉積在陽極上。但是，鋰金屬并不是在陽極上形成良好的光滑涂層，而是產(chǎn)生“枝狀” 晶體，即從陽極表面生長的鋰原子鏈，其看起來像樹枝。枝狀晶體隨著每次充放電循環(huán)而增長，最終到達(dá)陰極，并導(dǎo)致電池短路，導(dǎo)致火災(zāi)。

由于該行業(yè)在20世紀(jì)80年代后期遇到了這些問題，索尼公司發(fā)明了石墨陽極。雖然其能量密度較低，但它可以使鋰電池更安全、更可靠。從那時起，石墨陽極一直是該行業(yè)的主流技術(shù)。

然而，將近30年后，人們正在努力克服石墨陽極的局限性。電動汽車和電動飛機等下一代應(yīng)用將需要具有相同能量但重量輕得多的電池，其體積更小。許多公司正在競相開發(fā)革命性電池陽極技術(shù)，風(fēng)險資本家正在對此進(jìn)行投資，以期贏得這個賭注。

零鋰狀態(tài)

為了抵消鋰的高反應(yīng)性，一些電池開發(fā)商嘗試采用額外的安全措施，以防止鋰與電池內(nèi)的水、氧氣或氮氣直接接觸。這不可避免地增加了制造成本。

一些客戶（例如商用無人機用戶）愿意支付這種溢價。但Eaglesham認(rèn)為這也意味著這樣的電池制造商沒有能夠擴展到細(xì)分市場以外的業(yè)務(wù)。

根據(jù)Eaglesham的說法，即使以某種方式控制成本，內(nèi)置鋰金屬的電池也不太可能通過安全測試。這些測試旨在將電池置于極端但卻是實際情況的條件下：將釘子刺入電池（可能發(fā)生在車禍中），或?qū)⑵浼訜岬?0°C以上或122°F（溫度）（汽車或無人機內(nèi)容很容易達(dá)到的溫度）。

該行業(yè)充斥著制造鋰金屬電池但失敗的公司的例子。例如，總部位于亞利桑那州的Sion Power公司開發(fā)一種鋰硫電池（陽極是鋰金屬，陰極是硫磺），用于記錄無人駕駛自動駕駛汽車。但它在達(dá)到商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)之前放棄了這項技術(shù)。而該公司仍在努力開發(fā)鋰金屬電池，但使用不同的陰極。

這就是為什么Pellion公司開發(fā)生產(chǎn)電池不是從鋰金屬內(nèi)部開始的原因。相反，其電池制造方法與傳統(tǒng)的鋰離子電池完全相同，其中包括使用液體電解質(zhì)，廣泛使用的陰極和采用銅片的陽極。這一點至關(guān)重要，因為它允許Pellion公司利用亞洲現(xiàn)有的鋰離子電池工廠進(jìn)行生產(chǎn)，而其制造電池成本要低得多。

在放電狀態(tài)下，Pellion公司電池的鋰離子緊貼在陰極內(nèi)部。當(dāng)電池第一次充電時，鋰離子從陰極流出，在銅陽極上沉積成鋰金屬層。第一次充電是在電池與外部環(huán)境完全密封的狀態(tài)下進(jìn)行的，因此保護(hù)了新形成的鋰金屬層。這種結(jié)構(gòu)稱為“零鋰”或“無鋰”。

“這是一個了不起的壯舉。”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電池專家Venkat Viswanathan說。另一位專家稱其為鋰金屬電池的“圣杯”。

市場利基市場之王

Pellion公司開發(fā)的電池確實有局限性。通常需要三個小時才能完全充電，而且價格也不便宜。雖然專家表示Pellion開發(fā)的電池印象深刻，但許多人表示擔(dān)心生命周期有限：它只能保證50次充放電生命周期。

這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于智能手機電池所需的大約300個充放電生命周期或電動汽車所需的1000個充放電生命周期。Eaglesham表示，該公司最新開發(fā)的電池已經(jīng)超過50次充放電生命周期。但Viswanathan認(rèn)為，從50個充放電生命周期上升到500個，這比Pellion公司到此為止所取得的成就要困難得多。加州創(chuàng)業(yè)廠商PolyPlus公司首席執(zhí)行官Steven Visco對此表示認(rèn)同，他認(rèn)為使用Pellion電池所用的液體電解質(zhì)從根本上限制了鋰金屬電池可以實現(xiàn)的生命周期。

阿貢國家實驗室首席電池研究員Venkat Srinivasan說：“電池初創(chuàng)公司很難為早期產(chǎn)品找到客戶。而Pellion已經(jīng)開始為客戶提供產(chǎn)品，這是一個成就。”而一些鋰金屬電池初創(chuàng)廠商Sion Power、PolyPlus、Solid Energy Systems和Ion Storage Systems表示，它們的產(chǎn)品正處于驗證階段，并向客戶和第三方測試人員測試采用其工程原型產(chǎn)品。還有一些公司對此拒絕發(fā)表評論。

Eaglesham說，交付鋰金屬電池產(chǎn)品是一項“重大突破”。Pellion公司第一批客戶是商用無人機制造商，該公司于今年2月開始銷售其電池，并預(yù)計到年底將有數(shù)百萬美元的收入。

“當(dāng)前的電池技術(shù)低估了無人機市場潛力。”Eaglesham說，“我們發(fā)現(xiàn)，有些用戶渴望更長的飛行時間，所以電池充放電的壽命周期并不那么重要。”

電池公司目前最大的市場是電動汽車市場。彭博新能源金融公司預(yù)計，2025年銷售的所有汽車中，10％將是電動汽車。為滿足這一需求，電池行業(yè)的規(guī)模將增加五倍，每年可生產(chǎn)價值約600億美元的電池。

鑒于這些限制，Eaglesham表示還沒有考慮進(jìn)入電動汽車市場。但其電池規(guī)格使其成為一個很好的候選者。相比之下，像特斯拉公司的電動汽車中鋰離子電池的能量密度為每升600瓦時（Wh/l）和每千克220瓦時（Wh/kg）。 Pellion公司的數(shù)字幾乎翻了一番：達(dá)到了1,000Wh/l和400Wh/kg。Eaglesham說，電池技術(shù)的飛躍使得這家初創(chuàng)公司能夠從Khosla Ventures和Motorola Solutions等公司獲得數(shù)千萬美元的投資。

超越炒作

作為一個快速發(fā)展的行業(yè)，蓄電池行業(yè)將會產(chǎn)生更大規(guī)模元的公司，眾所周知，電池開發(fā)者通?？梢悦孛苓\營，對其技術(shù)保密。但這意味著如果沒有適當(dāng)?shù)牡谌津炞C，很難將事實與炒作區(qū)分開來。這就是為什么這么多看起來具有很大發(fā)展前途的電池創(chuàng)業(yè)公司在過去十年中破產(chǎn)的原因。

例如，Envia公司是2012年的美國先進(jìn)能源計劃（ARPA-E）皇冠上的珠寶。 Envia公司表示其開發(fā)的鋰離子電池的能量密度大幅提升，從而降低電動汽車的成本。它甚至說服通用汽車公司簽署協(xié)議并投資數(shù)百萬美元。當(dāng)時，這家汽車巨頭迫切需要為2016年上市的下一代雪佛蘭Volt汽車推出一款新電池。而在籌集近3000萬美元并投入運營10年后，Envia電池運營方面出現(xiàn)虧損，并于2017年倒閉。

所以Pellion公司開發(fā)的技術(shù)需要實踐驗證。而Eaglesham表示，該公司的客戶已經(jīng)驗證了其技術(shù)，但他以保密協(xié)議為由沒有透露客戶的名稱。

Eaglesham以前是First Solar公司首席技術(shù)官，該公司在脫離太陽能電池業(yè)務(wù)方面證明了自己的成功。聯(lián)合創(chuàng)始人Gerd Ceder現(xiàn)在是Pellion公司董事會成員，他說Eaglesham在Pellion取得了成功，因為他在商業(yè)和技術(shù)方面都很擅長。

“電池商業(yè)化是一個非常困難的問題，大多數(shù)電池初創(chuàng)公司都倒閉了。”Ceder說。“這些公司都是由首席執(zhí)行官經(jīng)營的，他們都在倒閉之前在籌集資金并加大賭注，而Pellion公司則沒有這么做。”