IBM造海水电池,“搅局”锂电池产业?

作者: 脑极体 来源: 脑极体 2020-04-13 20:48

新能源汽车行业真的进入了一个多事之“春”!

新冠疫情的蔓延让整个汽车行业,当然也包括新能源汽车,陷入了产销量下滑的巨大风险之中。而在国家提出的“新基建”等积极救市的措施下,新能源充电桩的建设也被重点提及。近期,国务院的常务会议又决定将新能源汽车购置补贴和免征购置税政策延长2年。这无疑是给新能源车企再次打下一剂强心针。

但补贴仅仅可以续命,能否在这场疫情大考下活下去,还要看车企们的自救能力。

即使没有这场疫情,2020年也会成为新能源汽车行业的转折之年。尤其是在新能源汽车的动力电池领域,也正在上演一场技术路线的剧变。

年初比亚迪对外公开透露的“刀片电池”,现在终于靴子落地。3月29日,比亚迪刀片电池发布会举行,预计6月份正式上市。

作为新一代的磷酸铁锂技术路线的刀片电池被视为颠覆风头正劲的三元锂电池的杀手锏创新。刀片电池带来的技术突破和成本下降,也将会倒逼三元锂电池产品的整体价格下降。动力电池产业的洗牌无可避免,但对于新能源汽车购买人群,则一定是一个利好消息。

年初的CES2020展上,IBM放出一则“海水造电池”的技术成果的新闻,则又给这场风云诡谲的产业变革大戏,加入了一点“搅局”的意味。

可能因为没有实物展示,IBM只是宣布了要和奔驰汽车母公司一起继续研发,因而没有引起业内过多的关注。

然而仔细去看,很多细节仍然值得品味,包括从海水矿物质里提炼出的三种“新材料”、几乎完美超越锂电池的所有性能,以及使用了AI算法和量子计算进行研发……

这让我们不禁要问:海水电池,难道就要成为下一轮新能源电池“天选之子”了?

不得不承认,海水电池,你已经成功引起了我们的注意。

锂电池,确实没有看上去那么美好

聊海水电池之前,我们先得重新认识下锂电池,这个熟悉的陌生“朋友”。

不知你是否意识到,小到我们的智能手机、电脑、平板,大到电动脚踏车、电动汽车,几乎但凡可以充电的玩具、电子设备,都在使用锂电池进行续航。可以说,锂电池已经成为我们生活须臾不可离开的生活元素了。

不过,你有没有想过这些问题。这些锂金属材料从哪里来?锂电池对环境有没有影响?这些电子产品用完后,锂电池怎么处理?

相较于化学燃料,锂电池正被视作一种清洁能源的成熟技术应用,尤其是对于我国这样的严重依赖煤炭、石油的能源消耗大国。

但其实这里仍然存在一大问题。锂电池本身只是一种储能技术,它所储存的电力仍然来自现有电网。如果发电厂的电力源头不是来自清洁能源(水电、风能、核能等),而依然是火电的话,其实也只是换了一种排放形式。不过,对于取代战略性能源的石油(及其炼化的燃油),在新能源汽车的动力电池上面,锂电池则是功不可没的。

那么,锂电池材料本身的来源符合“清洁能源”的本义么?恐怕不行。

目前全球主要的锂金属原材料都是通过盐碱地下,从富含镁和钾的盐水中提炼锂。在南美洲的安第斯高原(人间仙境乌尤尼盐沼所在地)的厚厚盐层下,储藏着世界上超过一半的锂金属矿藏,这里也提供了全球一半的锂产量。

(安第斯高原上的乌尤尼盐沼中的锂矿)

而锂盐的过滤和提纯,其实是需要大量的水资源的。对于极度干旱的南美高原来说,锂矿占用了大量的地下水资源。即使对于水资源相对充足的地区,含有有毒化学物质的锂矿的废水也会重新渗透到生活用水系统当中,影响地下水、农业灌溉、人畜饮用水资源等。

对于锂电池来说,无论从储量上,还是危害上,锂都算不上厉害角色。能够对动力电池产业发展产生更大影响的是镍和钴,特别是钴的环境成本非常巨大。一来这种金属非常集中地蕴藏在中非少数地区,垄断成本导致价格飙升;二来,钴的毒性极大,而当地落后的手工开采,对当地人造成极大的伤害。

当锂电池在汽车以及电子设备中寿终正寝之后,难以再二次利用。绝大多数的锂电池都将以垃圾填埋,这些金属元素将重新回到自然环境当中,对我们的生存环境构成长期威胁。

我们即使对于锂金属以及镍、钴、锰等重金属矿区的直接污染无动于衷,那么锂电池在未来对我们生活健康的长期威胁则需要及早予以考虑了。

那么,如果有新的电池材料,替换掉包含钴、锰、镍重金属的锂电池,自然会成为一件造福人类的伟大技术进步。

而这个技术进步的使命会不会就落在“海水电池”身上呢?

从实验室走向商用:海水电池的落地难题

严格地说,广义上来说的海水电池早在上世纪90年代就出现了。在自然环境下,没有哪一种环境比海洋环境,也就是海水,可以作为更好的电解质材料了。

含有3.5%左右NaCl的海水盐溶液,其电导性是满足电池电解质的基本要求的。那么,从优势上来说,海水电池几乎可以有着取之不竭的电解质材料;反过来,这也成为一种限制条件,即海水电池更多只能使用在海洋环境当中使用。

比如,小功率金属腐蚀类海水电池,可以为小型海洋探测装置提供电力支持。而大功率的动力海水电池,可以为水下武器装备(比如鱼雷)提供动力。

这类海水电池本身是作为发电设备使用,而能够离开海洋环境,兼具储能和发电作用的海水电池显然更有广阔商业价值。

2009年,带有储能作用的海水电池发明。AHI电池是由美国一家电池和储能系统开发商Aquion Energy发明。AHI电池由海水和储量丰富的钠和锰制成,由于不含重金属和有毒化学物质,非易燃、不易爆,因此被该公司称作“海水电池”。这种电池造价低廉,大概只需要300美元/千瓦时,不到锂离子电池使用成本的三分之一。

AHI电池在2015年左右一度投入批量生产,主要用于太阳能光伏发电领域的储能。然而在2017年初,因为无法拿到新一轮融资,一度宣布破产。同年7月,Aquion再次恢复运营,目前正在尝试与中国的一些电网建立合作。受自身成本问题和锂电池价格下降等外部制约,海水电池想要在竞争激烈能源领域立足并非易事。

2017年,韩国蔚山国家科技研究所(UNIST)也在利用海水研发一种新型储能电池,这一海水电池将使用钠来进行储能和发电,因此与锂电池相比,成本上更具优势。当时计划在2018年建成一个10Wh的海水电池组。不过从目前的进度来看,韩国研究团队的这种通过Na离子作为负极材料的新电池能源储存系统(ESS)仍然测试当中,离真正商用还有一段距离。

那么,IBM最新宣布的最新海水电池技术,目前是什么情况呢?

首先IBM表示,新电池的制造材料是由三种从未被记录的三种专有材料组成,而且都可以从海水中提取,且不含有重金属材料。但可能出于技术保密考虑,IBM并未透露三种材料的成分。

其次是新电池的突出性能就是充电速度快。据称可以在5分钟内完成80%的充电量。如果测试数据属实,可以极大缓解动力电池充电等待时长的焦虑。

此外,因为不含钴、镍等重金属,使得活性正极成本大幅降低;在功率密度和能源效率等方面,都优于目前的锂离子电池;电解液的不易燃,也将提高动力电池的安全性。

从这些特点来看,IBM的动力电池简直可以成为现有锂电池为主的新能源汽车动力电池完美替代方案。

同时,IBM研究院也宣布了与梅赛德斯-奔驰北美研发部、电池电解质供应商Central Glass及电池生产商Sidus的合作,计划共同推出新一代动力电池的量产。

那么,我们也不禁想知道IBM可能跨越这个 “从实验室到商用量产”的魔咒,成为那匹“搅动”锂电池产业的跨界黑马么?

“搅局”锂电池,海水电池的商业化有待验证

想回答这个问题,似乎并不容易。

从IBM官方透露的信息来看,新材料的发现和创新离不开AI技术的应用。通过语义富集AI技术,从塑料回收到半导体制造等众多应用领域的催化专业知识的分析,结合材料学、分子化学、电气工程、先进电池试验设备等技术,才完成了这一底层材料的发现。

(来自:IBM官网)

在解决电池的容量和充电速度等电动汽车的问题上,IBM与戴姆勒股份公司合作,视同从在量子计算方面取得新的突破。

这似乎意味着尖端技术和跨学科知识在新材料的发现上起到了重要作用。但从这些更具“公关”色彩的表述中,实在难以让人看到IBM海水电池的新材料上面到底具有哪些核心技术。

显而易见的科学常识就是,我们都知道海水的主要成分就是NaCL,其中Na以离子形式存在,此外还有K+,Ca2+,Mg2+和Sr2+四种元素。再加上Cl-、F-、Br-、HCO3-等阴离子,共同构成了海水盐分99.9%的总量。

那么,显然,IBM宣称的不含重金属元素的海水电池,大概率离不开钠、钾、镁这三种元素。如果真的如IBM所言,是三种之前电池解决方案都未使用过的成分,那么大概率可能在故弄玄虚,以保密方式保持研发优势。如果已经是非常成熟的新材料技术完全可以通过申请专利的方式来保护自己的技术所有权。

据官方透露,IBM计划和合作伙伴在一年时间,就将推出这块海水电池用于电动汽车上的商用版本。这仍然难以令人相信。毕竟受制于工艺流程、材料提炼和制造成本等多方面因素限制,在从实验室到生产车间的过程中,很容易出现纰漏。

好在一年时间很短,我们可以期待下在CES2021上能否见到这块可以商用的海水电池。届时就会知道IBM是否真得拿到了新能源动力电池产业的新门票。

尽管海水电池技术展示出优越于锂电池的卓越性能,但我们也不会轻易得出“海水电池会很快大规模取代锂电池” 的乐观判断。

首先就是锂电池本身的产业成熟度,以及近来在电池性能稳定性和成本控制上的突破,使得锂电池仍然将在未来数年内成为新能源汽车市场的主流解决方案。

另外就是海水电池本身,在新材料的提取、规模化的生产上,是否有着难以解决的成本问题跟耗能问题,仍然具有非常大的不确定性。

更易得且成本更低的电池材料、去处有害重金属的技术方案以及更高的能效,这成为海水电池带给我们的近乎完美的新能源解决方案。

但这一方案出现得有些太过“容易”,以致于不太符合“常识”。我们并不怀疑IBM所具有的技术实力和创新能力。我们只是想指出,一项新技术从实验室研发测试,到真正进入生产线量产,是一件非常复杂的流程,从材料提炼制备,到生产工艺流程控制再到安全验证,整个过程都要解决制造成本和质量安全问题。

希望准备跨界入局海水电池的IBM正在做好准备。


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