锂电池是怎样一步步改变世界的?

2018-12-25      489 次浏览

虽然锂电池没有摩尔定律,但它是汽车、手机市场被颠覆的基础。


在你印象中,特斯拉是一家什么公司?纯电动豪车制造商、创始人艾伦·马斯克的另一项大手笔投资,还是易到和Uber们的营销工具?它的创始人艾伦·马斯克自己觉得,电池才是特斯拉最重要的生意。


“对特斯拉来说,电池未来可能是比电动车更大的生意。”马斯克说这话时,TeslaEnergy新生产品线刚发布一周。家用蓄电池Powerwall拿到了3.8万个订单。这意味着连明年上半年的产能都被预定一空。同时,商用蓄电池Powerpack有2800个订单,就连亚马逊位于美国西部的数据中心也成了特斯拉的客户。


无论是家用,还是企业用的特斯拉电池,它们都用来在电价低的时段存储电力,在电价高的时段供电,以降低用电成本。不只如此,马斯克还畅想借此构建一个局域智能电网。


高性能电池组是特斯拉能够与传统汽油发动机汽车竞争的根本,而Gigafactory则是另一个马斯克为了电池生意准备的终极武器。除了为特斯拉电动汽车提供电池之外,TeslaEnergy也将从这里出厂。这个比波音飞机工厂还要大的工厂,到2020年每年生产的锂电池将超过2013年全球锂电池的产能。


然而这不是第一次有人试图利用电池改变多个产业。在1881年成功找到批量生产铅酸蓄电池的方法后,法国工程师CamilleFaure就曾想过用这种电池来造车和供给家庭用电。目标也是有朝一日能够取代电网。而铅酸蓄电池也就是常说的电瓶。旧式的电动自行车、低速电动汽车也多用的是它。


但这一次,马斯克的想法或许真的会实现。特斯拉之外,还有许多完全没有汽车制造背景的公司,因为电池进入汽车行业。


中国汽车公司比亚迪一开始是卖电池的。不过,比亚迪看起来更希望自己转型成一家汽车公司。2003年已经是全球第二大充电电池生产商的比亚迪,收购了秦川汽车有限公司开始造车。到2010年,公司推出纯电动车比亚迪e6,至今依然是中国市场卖得最好的新能源汽车。而一直做手机电池的飞毛腿也开始涉足电动自行车生意。


除了汽车,过去两年里流行起来的新设备都和电池密切相关。大到无人机,AppleWatch这种一年销售额能达到数十亿美元的设备,小到电动滑板、独轮车这些跑在马路上的便携代步工具。


而驱动这些设备来到我们身边的,正是锂电池的进化。


01、100年前,电动车曾经是主流


在马车向汽车过渡的时代,有一个属于电动车的19世纪。


电动车的发明几乎比燃油车早了半个世纪。1841年化学家Robert用伏打电池就造出一辆重达7吨的电动火车,时速只有2.4千米每小时。还不如一匹马。燃油车后来遇到的尴尬,电动车一早就体验到了。尽管开起来比蒸汽火车安静多了,但这辆电动火车造价成本实在太高。


50多年后,人们在纽约街头可以拦到美国费城电车公司研制的电动出租车。1897年电动汽车就首次实现了商业化。


再早10年,从1880年代开始整个电动车领域已经充满了竞赛。1899年法国发明家Camille往电动车CGADogcart里塞了80组电瓶,时速达到峰值每小时66.6千米。同时,为这些汽车提供电池的英国Exide技术集团旗下的富民牌电瓶,到今天依然占据着四分之一的世界市场。


这却是电动车衰落的开始。之后很长一段时间里,单靠铅酸电池技术无法提升电动车的续航和时速。在这场电气革命中也曾开过电动车厂的发明家爱迪生表示,“只靠电这一种能源,是没法维持整个世界的。”之后,从19世纪末开始,燃油车迅速占领了汽车市场。


1908年福特T型车在全美开始普及。紧接着,一系列发明让汽油车驾驶体验改善,成本也在下降。1912年CharlesKettering发明的汽车电机自动启动系统,让司机摆脱了摇杆。开车变得更简单,一时间妇女和老人也成了汽车销售们当时推销的对象。20世纪初,早先发明的汽车消音器得到应用,汽油车不再是咆哮的怪兽。


到1912年,汽油车至少比电动车便宜一半。当时,一辆电动跑车的售价约为1750美元,而汽油车只要650美元。之后几十年里,电动车已然沦为游乐场里的儿童玩具或者高尔夫球车。


从智能手机到电动汽车,锂电池是怎样一步步改变世界的?


1973年第一次石油危机正式爆发。同时美国、日本、英国等国家的主要工业城市早已出现了不同程度的空气污染、水质污染。锂电池被各大电池公司和石油公司在实验室中成功研制,但应用只停留在类似医疗这些专门领域。锂电池是不错的能源替代。


但真正做到量产的纯锂电池电动汽车到今天也是极少的。而受限于速度和续航,目前汽车主流市场还被燃油(气)车占据着。唯一可以说商业上特别成功的丰田新能源车普锐斯还是油电混合动力的。普锐斯作为完全混合动力汽车,在汽车加速或者大负荷运转时,因为高性能的燃料电池,电动机系统能够更有效辅助驱动车轮。


直到2010年特斯拉的ModelS锂电池纯电动车才第一次被作为中高性能车销售。之前,世界上卖得最好的纯电动汽车日产聆风(Leaf)不过时速60千米每小时。而这几乎是上两个世纪的电动车性能。


02、手机驱动了锂电池产业的前进


如果你关注最近发布的电动车,比如轻客、小牛电动等等,会发现特斯拉ModelS使用的松下18650三元锂电池,已然成为一批国内电动车公司的选择。


本质上这是一款廉价的锂电池,国内电池厂商也普遍产。“18650”只代表电池外形大小:直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池。其实该型号一般包括三款电池:锂离子电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池。如果时间往前推上一二十年,收音机作为个人手持设备还很火时,18650电池还包括同等大小的镍氢电池。


从智能手机到电动汽车,锂电池是怎样一步步改变世界的?


和镍氢电池类似,作为硬件标配,锂电池为人所熟知,也得从移动设备说起。1991年在日本电信公司NTT的技术支持下,索尼和旭化成商业化了第一款钴酸锂电池。它被迅速用到随身听、摄像机、相机、手机、笔记本电脑等各类便携设备中。你可能比较熟悉早期设备包括索尼Walkman、NEC手机、摩托罗拉大哥大等等。


1993年光手机行业就消耗了500万颗锂电池。到1994年,这个数字翻了5倍。1999年高通实验室研发的智能手机首次用上了锂离子电池。这一年功能手机在全球的销量超过10亿部。


从智能手机到电动汽车,锂电池是怎样一步步改变世界的?


智能手机的出现对手机性能包括续航和处理速度都提出了新的要求。到今天,手机已经相当于小型电脑,比以往更加耗电。续航时间和处理速度之间的矛盾更加突出。手机内部空间似乎成了最宝贵的地产。为了1平方厘米的空间,也会有无尽的投入。


从2010年到现在,SIM卡已经缩小了两圈;以苹果为代表很多手机为了节省空间,将主板分散在各处。而电池是所占空间最大的零件,哪怕只是增加10%的电池密度,也能让手机更薄一些。相应地,这些需求也推动着电池厂商开发新技术。


同时,手机的巨大需求降低了量产成本。2007年总共卖出去了12亿台手机,其中包括1.2亿部智能手机。到了2014年销量达到25亿部。每一部智能手机都需要锂电池。量产过程中,锂电池单位成本至少降低了50%。


如今卖得不错的电动车都是混合动力的。这些混合动力车除了使用燃料电池之外,往往采用的是磷酸铁锂电池。2010年和特斯拉ModleS同台竞争的BYDe6,就是使用的这种电池。


在这进化过程中,是一次锂电池大战:


从智能手机到电动汽车,锂电池是怎样一步步改变世界的?


锂电池大战


1977年就提出利用嵌入化合物来制作锂电池的MichelArmand从1980年代开始就踏上了维权之路。期间不仅Armand自己的电池公司破产了,其就职的加拿大魁北克水电公司Haydro-Quebec投资的电池公司photechLithium还被Segway的电池供应商Valence告到败诉。


另一位专利持有人JohnGoodenough在电池领域久负盛名。不过,他也曾遗憾,在没有专利授权的情况下,就把技术交给A123System商业化。A123System如今已经是美国最大的电池公司,不但拿到了美国最大机械制造商百得集团的订单,还得到了美国国家能源部门的1000万美元扶持奖金。


最近一两年,A123System又从韩国电池公司LGChem手里抢回了雪佛兰Volt的订单。除了大公司,一拨创业公司也在做电池。一批电池业务出现瓶颈的公司,发现汽车是门大生意。要么自己造车,要么找汽车制造商合作。松下当初愿意找特斯拉合作,很大程度是因为那时电池业务的供应范围越来越窄。


03、锂电池还改变了什么?


从智能手机到电动汽车,锂电池是怎样一步步改变世界的?


智能手表:这是比手机更微型的电脑。微软十年前的智能手表TimexDatalink是单色、只能接受FM无线电信号来更新数据。


今天AppleWatch可以连接WiFi,运行应用软件。尽管不少人都在吐槽每天都需要充电一次的续航,但这已经是以往难以想象的续航。


无人机:1990年代末,诺斯罗普·格鲁曼公司为美军生产RQ-4A全球鹰时,用的是普通有人喷气式飞机所用的罗伊斯发动机引擎,烧航空燃料,算上研发成本每架接近2亿美元。


而今天的民用无人机,虽然还不能飞到万米之上,但用来拍拍几个原本需要直升机的镜头足够用了,而且要便宜许多。大疆标准版Phantom3的官网售价为4799元。2014年全球卖出了超过39万架无人机,绝大多数来自民用无人机。这些消费级的无人机用的是锂聚合物电池,和iPhone6采用的电池是同一种。


各种造型奇特的代步工具:今天走在马路上,下一个和你擦肩而过,或许就是踩着风火轮的。从电动自行车、电动摩托车到平衡车、独轮车、滑板、滑板车等。它们的背后也都靠锂电池在支撑。


现在电池制造商卖电池都顺便搭售封装定制。也就是说,你需要把多少个锂电池绑成什么样子可以根据智能硬件的外形自由选择。用不了多久,你会看到更多造型的智能硬件出现。

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