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從智能手機到電動汽車,鋰電池正在改變世界

來源︰   發布時間︰2018-12-22   點擊量︰524

在你的印象中,特斯拉是一家什麼公司?純電動豪車制造商、創始人艾倫•馬斯克的另一項大手筆投資,還是易到和 Uber 們的營銷工具?它的創始人艾倫•馬斯克自己覺得,電池才是特斯拉最重要的生意。

“對特斯拉來說,電池未來可能是比電動車更大的生意。”馬斯克說這話時,Tesla Energy 新生產品線剛發布一周。家用蓄電池 Powerwall 拿到了 3.8 萬個訂單。這意味著連明年上半年的產能都被預定一空。同時,商用蓄電池 Powerpack 有 2800 個訂單,就連亞馬遜位于美國西部的數據中心也成了特斯拉的客戶。

無論是家用,還是企業用的特斯拉電池,它們都用來在電價低的時段存儲電力,在電價高的時段供電,以降低用電成本。不只如此,馬斯克還暢想借此構建一個局域智能電網。

高性能電池組是特斯拉能夠與傳統汽油發動機汽車競爭的根本,而 Gigafactory 則是另一個馬斯克為了電池生意準備的終極武器。除了為特斯拉電動汽車提供電池之外,Tesla Energy 也將從這里出廠。這個比波音飛機工廠還要大的工廠,到 2020 年每年生產的鋰電池將超過 2013 年全球鋰電池的產能。

然而這不是第一次有人試圖利用電池改變多個產業。在 1881 年成功找到批量生產鉛酸蓄電池的方法後,法國工程師 Camille Faure 就曾想過用這種電池來造車和供給家庭用電。目標也是有朝一日能夠取代電網。而鉛酸蓄電池也就是常說的電瓶。舊式的電動自行車、低速電動汽車也多用的是它。

但這一次,馬斯克的想法或許真的會實現。特斯拉之外,還有許多完全沒有汽車制造背景的公司,因為電池進入汽車行業。

中國汽車公司比亞迪一開始是賣電池的。不過,比亞迪看起來更希望自己轉型成一家汽車公司。2003 年已經是全球第二大充電電池生產商的比亞迪,收購了秦川汽車有限公司開始造車。到 2010 年,公司推出純電動車比亞迪 e6,至今依然是中國市場賣得最好的新能源汽車。而一直做手機電池的飛毛腿也開始涉足電動自行車生意。

除了汽車,過去兩年里流行起來的新設備都和電池密切相關。大到無人機,Apple Watch 這種一年銷售額能達到數十億美元的設備,小到電動滑板、獨輪車這些跑在馬路上的便攜代步工具。

而驅動這些設備來到我們身邊的,正是鋰電池的進化。


01

100 年前,電動車曾經是主流


在馬車向汽車過渡的時代,有一個屬于電動車的 19 世紀。

電動車的發明幾乎比燃油車早了半個世紀。1841 年化學家 Robert 用伏打電池就造出一輛重達 7 噸的電動火車,時速只有 2.4 千米每小時。還不如一匹馬。燃油車後來遇到的尷尬,電動車一早就體驗到了。盡管開起來比蒸汽火車安靜多了,但這輛電動火車造價成本實在太高。

50 多年後,人們在紐約街頭可以攔到美國費城電車公司研制的電動出租車。1897 年電動汽車就首次實現了商業化。

再早 10 年,從 1880 年代開始整個電動車領域已經充滿了競賽。1899 年法國發明家 Camille 往電動車 CGA Dogcart 里塞了 80 組電瓶,時速達到峰值每小時 66.6 千米。同時,為這些汽車提供電池的英國 Exide 技術集團旗下的富民牌電瓶,到今天依然佔據著四分之一的世界市場。 

這卻是電動車衰落的開始。之後很長一段時間里,單靠鉛酸電池技術無法提升電動車的續航和時速。在這場電氣革命中也曾開過電動車廠的發明家愛迪生表示,“只靠電這一種能源,是沒法維持整個世界的。”之後,從 19 世紀末開始,燃油車迅速佔領了汽車市場。

1908 年福特 T 型車在全美開始普及。緊接著,一系列發明讓汽油車駕駛體驗改善,成本也在下降。1912 年 Charles Kettering 發明的汽車電機自動啟動系統,讓司機擺脫了搖桿。開車變得更簡單,一時間婦女和老人也成了汽車銷售們當時推銷的對象。20 世紀初,早先發明的汽車消音器得到應用,汽油車不再是咆哮的怪獸。

到 1912 年,汽油車至少比電動車便宜一半。當時,一輛電動跑車的售價約為 1750 美元,而汽油車只要 650 美元。之後幾十年里,電動車已然淪為游樂場里的兒童玩具或者高爾夫球車。

1973 年第一次石油危機正式爆發。同時美國、日本、英國等國家的主要工業城市早已出現了不同程度的空氣污染、水質污染。鋰電池被各大電池公司和石油公司在實驗室中成功研制,但應用只停留在類似醫療這些專門領域。鋰電池是不錯的能源替代。

但真正做到量產的純鋰電池電動汽車到今天也是極少的。而受限于速度和續航,目前汽車主流市場還被燃油(氣)車佔據著。唯一可以說商業上特別成功的豐田新能源車普銳斯還是油電混合動力的。普銳斯作為完全混合動力汽車,在汽車加速或者大負荷運轉時,因為高性能的燃料電池,電動機系統能夠更有效輔助驅動車輪。

直到 2010 年特斯拉的 Model S 鋰電池純電動車才第一次被作為中高性能車銷售。之前,世界上賣得最好的純電動汽車日產聆風(Leaf)不過時速 60 千米每小時。而這幾乎是上兩個世紀的電動車性能。



02

手機驅動了鋰電池產業的前進



如果你關注最近發布的電動車,比如輕客、小牛電動等等,會發現特斯拉 Model S 使用的松下 18650 三元鋰電池,已然成為一批國內電動車公司的選擇。

本質上這是一款廉價的鋰電池,國內電池廠商也普遍產。“18650” 只代表電池外形大小︰直徑 18mm、高 65mm 的圓柱形鋰電池。其實該型號一般包括三款電池︰鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。如果時間往前推上一二十年,收音機作為個人手持設備還很火時,18650 電池還包括同等大小的鎳氫電池。 

和鎳氫電池類似,作為硬件標配,鋰電池為人所熟知,也得從移動設備說起。1991 年在日本電信公司 NTT 的技術支持下,索尼和旭化成商業化了第一款鈷酸鋰電池。它被迅速用到隨身听、攝像機、相機、手機、筆記本電腦等各類便攜設備中。你可能比較熟悉早期設備包括索尼 Walkman 、NEC 手機、摩托羅拉大哥大等等。

1993 年光手機行業就消耗了 500 萬顆鋰電池。到 1994 年,這個數字翻了 5 倍。1999 年高通實驗室研發的智能手機首次用上了鋰離子電池。這一年功能手機在全球的銷量超過 10 億部。

智能手機的出現對手機性能包括續航和處理速度都提出了新的要求。到今天,手機已經相當于小型電腦,比以往更加耗電。續航時間和處理速度之間的矛盾更加突出。手機內部空間似乎成了最寶貴的地產。為了 1 平方厘米的空間,也會有無盡的投入。

從 2010 年到現在,SIM 卡已經縮小了兩圈;以隻果為代表很多手機為了節省空間,將主板分散在各處。而電池是所佔空間最大的零件,哪怕只是增加 10% 的電池密度,也能讓手機更薄一些。相應地,這些需求也推動著電池廠商開發新技術。

同時,手機的巨大需求降低了量產成本。2007 年總共賣出去了 12 億台手機,其中包括 1.2 億部智能手機。到了 2014 年銷量達到 25 億部。每一部智能手機都需要鋰電池。量產過程中,鋰電池單位成本至少降低了 50%。

如今賣得不錯的電動車都是混合動力的。這些混合動力車除了使用燃料電池之外,往往采用的是磷酸鐵鋰電池。2010 年和特斯拉 Modle S 同台競爭的 BYD e6,就是使用的這種電池。

在這進化過程中,是一次鋰電池大戰︰

鋰電池大戰

1977 年就提出利用嵌入化合物來制作鋰電池的 Michel Armand 從 1980 年代開始就踏上了維權之路。期間不僅 Armand 自己的電池公司破產了,其就職的加拿大魁北克水電公司 Haydro-Quebec 投資的電池公司 photech Lithium 還被 Segway 的電池供應商 Valence 告到敗訴。

另一位專利持有人 John Goodenough 在電池領域久負盛名。不過,他也曾遺憾,在沒有專利授權的情況下,就把技術交給 A123 System 商業化。A123 System 如今已經是美國最大的電池公司,不但拿到了美國最大機械制造商百得集團的訂單,還得到了美國國家能源部門的 1000 萬美元扶持獎金。

最近一兩年 ,A123 System 又從韓國電池公司 LG Chem 手里搶回了雪佛蘭 Volt 的訂單。除了大公司,一撥創業公司也在做電池。一批電池業務出現瓶頸的公司,發現汽車是門大生意。要麼自己造車,要麼找汽車制造商合作。松下當初願意找特斯拉合作,很大程度是因為那時電池業務的供應範圍越來越窄。

03

鋰電池還改變了什麼?



智能手表︰這是比手機更微型的電腦。微軟十年前的智能手表 Timex Datalink 是單色、只能接受 FM 無線電信號來更新數據。

今天 Apple Watch 可以連接 WiFi,運行應用軟件。盡管不少人都在吐槽每天都需要充電一次的續航,但這已經是以往難以想象的續航。

無人機︰1990 年代末,諾斯羅普•格魯曼公司為美軍生產 RQ-4A 全球鷹時,用的是普通有人噴氣式飛機所用的羅伊斯發動機引擎,燒航空燃料,算上研發成本每架接近 2 億美元。

而今天的民用無人機,雖然還不能飛到萬米之上,但用來拍拍幾個原本需要直升機的鏡頭足夠用了,而且要便宜許多。大疆標準版 Phantom 3 的官網售價為 4799 元。2014 年全球賣出了超過 39 萬架無人機,絕大多數來自民用無人機。這些消費級的無人機用的是鋰聚合物電池,和 iPhone 6 采用的電池是同一種。 

各種造型奇特的代步工具︰今天走在馬路上,下一個和你擦肩而過,或許就是踩著風火輪的。從電動自行車、電動摩托車到平衡車、獨輪車、滑板、滑板車等。它們的背後也都靠鋰電池在支撐。

現在電池制造商賣電池都順便搭售封裝定制。也就是說,你需要把多少個鋰電池綁成什麼樣子可以根據智能硬件的外形自由選擇。用不了多久,你會看到更多造型的智能硬件出現。

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