西媒稱，從美國內(nèi)華達(dá)州里諾市出發(fā)，車程大約半小時(shí)，一座奇特的建筑物呈現(xiàn)在眼前，下一個(gè)十年這里很有可能成為決定技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的地方。它由兩座在沙漠當(dāng)中建造起來的工廠組成，看上去和任何美國郊區(qū)的購物中心沒什么區(qū)別，但表象永遠(yuǎn)是騙人的。2017年，這座耗資將近50億美元的建筑將變成世界上最大的電池制造工廠。2020年在達(dá)到全部產(chǎn)能時(shí)，每年可以出產(chǎn)50萬塊鋰電池。

據(jù)報(bào)道，這就是被稱為Gigafactory1的特斯拉首個(gè)超級(jí)電池工廠。電動(dòng)汽車制造商特斯拉與日本松下公司合作，為解決困擾全世界的技術(shù)難題尋找解決方案。鋰電池在問世25年后，雖然在性能上已經(jīng)完善到極致，但也已經(jīng)再無進(jìn)步的可能。

報(bào)道稱，在沒有其他可行的商業(yè)選擇的情況下，特斯拉公司唯一的出路就是增加電池的產(chǎn)量以滿足電動(dòng)汽車日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，而且這對(duì)于降低設(shè)備成本也至關(guān)重要。未來特斯拉超級(jí)電池工廠的產(chǎn)能將相當(dāng)于2013年全球的電池產(chǎn)量。特斯拉因此可以向市場(chǎng)上推出迄今為止最為經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車。

未來電池面臨的五大挑戰(zhàn)

成本。材料僅僅是關(guān)系到產(chǎn)品最終價(jià)格的其中一個(gè)因素。液態(tài)電解質(zhì)的危險(xiǎn)性對(duì)保存和包裝的要求都非常高，運(yùn)輸成本因此會(huì)增加。最安全和穩(wěn)定的電池將可以降低電動(dòng)汽車的成本，對(duì)電網(wǎng)中可再生能源的工作也是一種補(bǔ)充。

安全性。雖然30多年來電池的效率和可靠性都有很大提高，但它依然是一種危險(xiǎn)的設(shè)備，如果在充電和放電過程中沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，電池仍然極易燃燒。

數(shù)量。電池制造的全球產(chǎn)能每年大約為35千兆瓦時(shí)。這一數(shù)字仍無法滿足電子消費(fèi)品和電動(dòng)汽車制造商的需求。如果想實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)園的徹底轉(zhuǎn)型，以及讓鋰電池在電網(wǎng)中占有更大份額，就需要讓產(chǎn)量翻番。

可回收。鋰電池在經(jīng)過成百上千次充電和放電過程后，性能上就會(huì)下降。鋰電池可以回收，但這是一個(gè)昂貴的過程，而且需要專業(yè)的勞動(dòng)力。如果想減少鋰電池對(duì)環(huán)境的危害，未來的鋰電池開發(fā)就必須更多地關(guān)注回收這個(gè)環(huán)節(jié)。

性能。鋰電池的能量密度很低，接近于每千克150-250瓦時(shí)。為了能真正取代燃料汽車，鋰電池在存儲(chǔ)能力上就必須提高。

能源是解決電動(dòng)汽車成本的關(guān)鍵

報(bào)道稱，最大的問題在于電池的存儲(chǔ)能力。一塊鋰電池的重量能量密度大約為每千克160瓦時(shí)。目前市場(chǎng)上最先進(jìn)的鋰電池的能量密度可以達(dá)到每千克250瓦時(shí)，但價(jià)格不菲。作為電動(dòng)汽車的駕駛者，如果想將來不再為了電池的續(xù)航能力而焦慮，就必須把電池的存儲(chǔ)能力至少提高到每千克350瓦時(shí)。如果不行，唯一的選擇就是多準(zhǔn)備電池和增加汽車重量，或者提高電池充電的成本和時(shí)間。

鋰依然是實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的最有誘惑力的材料。因此，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在集中精力做三件事：提高電池正極材料技術(shù)；提高負(fù)極材料技術(shù)；獲得更有效的電解溶液，如果可以就使用固態(tài)電解質(zhì)，以便提高電池的安全性和設(shè)備容量。

硅和石墨烯：新的能源點(diǎn)金石

關(guān)于電池正極材料，最有前途的要屬用硅結(jié)構(gòu)代替石墨。在充電過程中每克硅吸收的鋰離子10倍于石墨材料，但問題是更大量的吸收就意味著更大量的擴(kuò)散。斯坦福大學(xué)正在試驗(yàn)使用納米硅結(jié)構(gòu)，這種材料可以受控制的擴(kuò)散，但是距離進(jìn)入商業(yè)化階段仍需要繼續(xù)多年研究。

另一種選擇是用科學(xué)界一直在談?wù)摰氖┐媸鳛檎龢O材料。這種堪稱“奇跡”的材料由純碳組成。由多層一個(gè)原子厚度組成的石墨烯正極吸收的離子量更大，因此在相同重量下可以制造出雙倍的電池容量。但是，這種材料也依然存在一些今天的石墨電池同樣有的難以解決的問題。碳對(duì)于充電過程而言并非一種理想材料。

負(fù)極材料的更新?lián)Q代則取得了更好的成果。通過一些納米材料，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都實(shí)現(xiàn)了更加有效地縮短離子在正負(fù)極極片之間流動(dòng)的距離，從而提高充電速度。

電解質(zhì)：液態(tài)到固態(tài)的跨步

但是未來電池最大的變革將是創(chuàng)造新的電解溶液。從液態(tài)向固態(tài)電解溶液的跨步將讓電池變得更加安全。這樣既可以大幅度地提高電池容量，還可以在更短時(shí)間內(nèi)完成充電。一些企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)這種固態(tài)電池，有的已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)推廣階段。

巴黎的汽車租賃公司BlueIndy就提供采用固態(tài)電池的電動(dòng)汽車租賃服務(wù)。固態(tài)電池的制造成本仍然昂貴，而且目前任何一種固態(tài)材料都無法證明在效率上能優(yōu)于液態(tài)電池，而且某些固態(tài)材料還受到溫度的限制。

最有發(fā)展前景的一個(gè)研究方向是陶瓷材料。馬里蘭大學(xué)已經(jīng)研制出了高傳導(dǎo)率的方法，可以制造出更加輕便和高效的電池。該大學(xué)工程學(xué)教授埃里克·瓦克斯曼指出，這種材料的電池更加安全，符合現(xiàn)今從燃料汽車向電動(dòng)汽車過渡的市場(chǎng)要求。馬里蘭大學(xué)的研究項(xiàng)目已經(jīng)吸引了包括美國航天局在內(nèi)的很多機(jī)構(gòu)。美國航天局認(rèn)為能夠解決未來空間任務(wù)中的能量?jī)?chǔ)存問題。

容量更大、充電時(shí)間更短的電池將讓交通運(yùn)輸和消費(fèi)電子產(chǎn)品都經(jīng)歷革命，但其最大的影響則是在可再生能源領(lǐng)域。隨著光伏和風(fēng)力發(fā)電的成本日益降低，可再生能源利用在全球日益普及。

風(fēng)力發(fā)電和太陽能板可以間斷性地產(chǎn)生電力，在電力需求低時(shí)作為電網(wǎng)的補(bǔ)充。夜間通常是人們的用電高峰。在這樣的時(shí)段，仍然必須依靠油氣能源或核能作為主要能源的發(fā)電站提供的電力。能夠高速充電和能量密度更高的電池可以彌補(bǔ)電力系統(tǒng)的缺陷，在白天儲(chǔ)存電力供人們夜間使用。