电动车

302019年XNUMX月

无论是与股市,总统选举还是气候有关,2020月都是可以预测来年和未来十年的月份。 那么,对于即将到来的2030-XNUMX十年,我们应该期待什么电池趋势?

1.锂离子电池将为更多应用提供动力—一切都带电: 2019年诺贝尔化学奖重点介绍了锂离子电池在过去四十年中取得的进步。 从1970年代的实验室实验来看,它们现在在消费类设备中无处不在。 他们越来越多地涉足运输和电网存储应用。

毫无疑问,2020年是从电动汽车到公共汽车和卡车的运输电气化的十年。 电动汽车(EV)的数量从2015年的约75种跃升至2020年的1种以上,其中包括跑车,轿车,SUV和轻型卡车。 汽车公司及其供应链正在无休止地转型。 这将不是一个容易的转变—将有赢家和输家。 在未来几年内将不适应的汽车制造商和一级供应商可能会变得无关紧要。 运输技术工人的性质也在发生变化。 工会正在引起注意,但新的劳动力需要大量培训。

电力部门将在其电网上实施更多的储能项目,这在一定程度上是受到法规以及清洁能源电网的普及以及分布式风能和太阳能发电的推动。

历史上较小的单位体积的工业应用将受益于锂离子电池扩散的增加​​。 随着社区寻求更清洁的空气,我们将看到当地法规禁止使用任何以化石燃料为动力的东西,从铲车到割草机。

2.电池将提供更好的性能,但具有最佳的折衷方案:

比尔·盖茨在1981年的名言“640KB对每个人来说应该足够[内存]完全提醒我们,一件好事还不够。 就像计算机以更多的计算能力和内存蓬勃发展一样,移动性将随着可用电池容量的增加而蓬勃发展。 下一代5G无线智能手机需要更多的电池容量。 电动汽车驾驶员需要更长的行驶里程(超过300英里)。 更大的电池容量意味着不断地寻求具有更高能量密度的新型材料。

公众将变得更加敏锐,并期待更好的电池保修。 更长的循环寿命(寿命),而快速充电将成为性能的标准,尤其是在运输中。

但是要花多少钱呢? 制造商将学习优化电池的容量,尺寸,循环寿命和针对目标应用或用户案例的充电时间。 车队中的电动汽车将具有与住宅通勤者不同的电池设计。 与太阳能一起使用的备用电池将更加不同。 电动汽车的购买者将学习如何根据电池做出明智的选择。 就像购买者从历史上学会了了解4缸和8缸发动机的区别一样,他们将更加了解kWh额定值之间的区别。

3.电池价格将继续下降,但增速将放缓:

锂离子电池的成本在过去十年中从每千瓦时1,100多美元下降到150年的每千瓦时2019美元。预测者预计,这一数字将在100年降至2023美元以下。在这样的水平下,电动汽车的成本将与使用内部电池的传统汽车达到同等水平内燃机(ICE)-没有政府购买者激励措施。 在规模,数量增加以及在中国占据主导地位的电池制造的推动下,标准电池日益日趋商品化。 供应链在解决电池商品化方面正变得越来越专业。 为了提高电动汽车模型的盈利能力,汽车制造商将越来越多地将传统的成本准则应用于其电池供应链,将提高的生产效率应用于对冲。 一些需要更高性能的特定应用将受益于先进材料的新发展,例如,尽管以更高的成本提供了更高的能量密度,但渗透率有限。

与中国贸易紧张的风险将继续笼罩整个电池供应链。 即使锂离子电池制造工厂在亚洲和欧洲其他地区上线,从原材料采购到最终组装,中国仍将继续主导锂离子电池供应链。 美国联邦政府和州政府将需要制定明确的政策,以解决向以电池为中心的运输系统的快速过渡,否则将面临与中国在电池技术和制造方面的贸易紧张局势升级的风险。

4.电池在现场将变得更加安全:

智能手机通常在亚洲许多地区引起轰动,这甚至不是头条新闻。 那将会改变。 那必须改变。 电池安全性的预期标准必须大幅度提高,尤其是随着可获得更大的电池容量(在电动汽车或电网中)尤其如此。 生产现场的有效检查方法和现场智能电池管理系统可以将电池安全性提高几个数量级。

然而,令人遗憾的是,不可避免的是,在整个行业投入巨资改善电池安全之前,甚至在某些政府的干预下,电池大火将成为未来的头条新闻。

5.政府将介入以规范锂离子电池的回收利用:

业界将认识到,回收锂离子电池对其未来的增长至关重要。 如果没有采取经济的回收方法,锂离子电池对环境的影响将是毁灭性的,从开采原材料到废弃电池的处置。 例如,铅酸电池是第一个。 美国1个回收的消费品,其回收率超过99%。 不幸的是,历史表明,政府将需要介入并规范锂离子电池的某些回收目标。

092019年XNUMX月

当我读到John Goodenough,Stanley Wittingham和Akira Yoshino因“开发锂离子电池”而获得2019诺贝尔化学奖时,我感到非常高兴。

Wittingham最初在电池方面的工作可以追溯到1970 在埃克森美孚期间。 Goodenough在牛津大学关于LCO阴极的开创性工作是 出版 在1980中。 吉野对石墨阳极的贡献来自日本旭化成的1980。 索尼将他们的想法转化为1991中的第一个商用锂离子电池产品。

礼貌:瑞典皇家科学院

因此,现在正是这些科学家因其贡献和发起储能革命而获得认可的时候了。 该奖项是对过去几十年来为使锂离子电池在我们的生活中无处不在而勤奋工作的数千名科学家和工程师所做的贡献的启示。 试想一下,没有锂离子电池的现代数字生活,iPhone或Tesla车辆。 你根本做不到!

凭借今天的诺贝尔奖,锂离子电池加入了晶体管或聚合酶链反应(PCR)等伟大发明的行列。 1951中硅晶体管的发明成为催生现代硅谷的催化剂。 Kari Mullis在1983中对PCR技术的发现推动了生物化学和药物发现领域的广阔发展。

自从索尼制造出第一款锂离子电池以来,已经过去了近30年。 在这三十年中,锂离子电池已从为早期型号的便携式摄录机供电到转变运输方式。 尽管如此,该行业仍处于起步阶段,尚需克服许多挑战,并有许多发现需要进行。

随着电动汽车在未来几年的加速使用,锂离子电池在我们的经济中起着举足轻重的作用,其作用不亚于20世纪初期的内燃机。 电池性能,安全性,制造,成本,与复杂电子系统集成的挑战都必须解决……挑战也意味着创新的机会,以及科学家和工程师做出持久贡献的机会。

在这个时代,“技术”(尤其是在旧金山湾区)的含义已成为创建新小工具或新商业模式的代名词,我们不应忽视 科学 仍然是动力的引擎 示意图.

242019年XNUMX月

你是一名企业家。 你知道电池正在为未来提供动力。 您认为目前的电池技术不能满足市场需求。 你发明了一种新的电池技术。 你甚至可能有一些早期的原型,显示出一些特殊的希望。 因此,您启动了一家新公司,将您的新技术商业化。 欢迎来到Battery Gold Rush, 21st世纪。

在第一次淘金热, ca。 1849,许多人发了财,还有许多人失去了财富。 新的电池淘金热将没有太大的不同。 那么你在追求电池圣杯时应该考虑哪些因素?

我将在此假设您的电池技术非常出色。您已对其进行了测试。 它在实验室工作。 我将在这里讨论的是你和你的投资者是否会在这项努力中赚钱。

需要考虑五个因素。

  • 电池市场的经济性对你有利吗?

几年前,作为一名年轻的研究生,我不断被建议将我的论文工作从硅转移到砷化镓(GaAs)。 这些新材料被称为III-V族化合物,因为它们在元素周期表中的位置,提供了比硅集成电路更好的性能。 然而今天,硅主导半导体领域只是因为它的经济性远远超过任何其他竞争材料系统的经济学。 这里有一个教训,新兴电池技术从一开始就具有经济可行性。

随着电池越来越多地成为从智能手机到电动汽车的各种能源供电,需要注意的一个关键经济指标是$ / kWh:电池内存储的每单位能源成本。 对于日本,韩国和中国的大型制造商而言,成本指标目前介于每千瓦时100和$ 150之间。 预计100将降至2025以下,此时电动汽车的成本与传统内燃机汽车相当。

如果您的技术增加了这个成本,或者您的商业模式基于显着的溢价,那么您将面临严重的商业逆风。 这并不意味着您将失败,但这意味着您的产品的采用可能仅限于利基市场,或者您的公司采用率可能太慢,无法实现盈利。

  • 你确定你有一个有效的商业模式吗?

大多数电池创业公司正在探索各种商业模式。 一些人喜欢建造整个电池。 其他人认为制造这些材料就足够了。 其他一些人正在开发技术并销售其基础知识产权。 哪一个更好? 您需要自己快速验证业务模型。

如果您选择构建整个电池,您是否能够足够快地扩展制造和分销? 您是否拥有与现任企业竞争所需的投资资金? 加大电池制造业务的成本可能高达数十亿美元。 历史对电池初创公司并不友好。 的兴衰 A123系统 是一个值得认真研究的商业案例。

相反,如果您决定建立销售材料的商业模式,那么您的客户现在是电池制造商,其中绝大多数都位于亚洲。 您的技术可能与众不同,但您的客户也是您的竞争对手。 您将如何保护您的知识产权? 他们会向您支付您认为创新的价值吗? 历史在这里也没有善意。 您需要开箱即用,试验并找出解决商业模式困境的有效方案。

  • 您的产品会扩展吗?

我在创新电池材料实验室看过许多令人惊叹的演示。 看到这种程度的创新真的令人兴奋。 但我不知道这些最近的电池材料想法已经进入批量生产,至少现在还没有。 随着公司开始加大生产力度,许多问题都会让他们头疼。 各批次制造的一致性; 满足大型电池的规格; 成本超支; 可用资本稀缺; 投资者疲劳只是逆风的几个例子。

  • 你了解你的“退出”机会吗?

您的资金来自期望收益的投资者。 5X或更高的回报被认为是好的; 10X或更高版本被认为是伟大的。 因此,如果您的公司需要200百万到500百万美元的资金来达到某种程度的规模化运营(并且希望盈利能力),那么贵公司的预期“退出”估值范围为1亿到5亿。 恭喜您在最近的筹款活动中取得了这些估值。 很少有公司能够实现这一里程碑。 但潜在买家会支付这些估值来收购贵公司吗? 亚洲大多数现有的电池公司都表现出严重的犹豫支付这样的估值。 相反,您可以选择采取首次公开募股(IPO)的路径。 A123就是这样一个例子。 但要小心,公开市场对公司估值不利,利润率低,增长轨迹不温不火。 在任何情况下,“退出”路径 - 即您和您的投资者将如何将您在公司的股份变为现金 - 对于电池公司来说并不是很好。 没有简单的先例可以遵循,而且这条道路充满了现任者,他们可能会选择等待你去绝望。

  • 龙怎么样?

中国正在迅速成为电池制造业的强国。 这意味着中国电池制造商可能会成为贵公司的客户或合作伙伴,甚至可能是潜在的收购者。 鉴于美国和中国之间的地缘政治紧张局势,美国政府很难根据出口改革规则授权将您的技术或产品转让给中国。 2018的国防授权法案。 您是否会选择在其他任何地方建立您的公司,可能在欧洲或其他允许您与中国合作的地区? 如果是这样,你需要在早期的努力中找到答案。

我的意图不是吓唬你。 电池行业需要创新者。 但仅靠创新是不够的。 实现财务成功对您,您的员工和您的投资者至关重要。

172019年XNUMX月

福特汽车公司能源存储高级经理Ted Miller最近表示: 没有固态技术,我们看不到另一种方法。“声明涉及更强大的电动汽车电池。 米勒先生继续澄清:“我现在无法预测的是谁将把它商业化

什么是固态电池?为什么商业化如此困难?

首先,让我们澄清一些误解。

被称为LiPo的聚合物电池是锂离子电池。

圆柱形电池,如18650电池(在早期的特斯拉型号中使用)也是锂离子电池。

棱柱形电池也是带有硬壳的锂离子电池。

固态电池也是如此。 它涉及更新的制造工艺,但它是锂离子电池。

所有这些锂离子电池的差异都有一个共同的物理原理:锂离子有助于储存电能。

简单地说,锂离子电池在锂离子之间来回移动 两个电气层:阳极和阴极。 当离子位于阴极时,电池放电。 当它们移动到阳极时,电池就会充电。 阴极和阳极称为电极。

这两个电极之间的离子的运动由称为的中间介质促进 电解质。 它是一种导电解决方案:它允许离子以很小的阻力穿过它。 一个关键属性被称为 电导率:它是离子通过电解质的容易程度的科学量度。 高电导率意味着离子可以轻松快速地传播。 低意味着相反。

在锂离子电池中,将两个电极浸入电解质溶液中。 今天的电池使用液体或凝胶状电解质。 电池制造商竭尽全力为其电池配制独特的电解质。 配方确实会影响许多电池的规格,特别是循环寿命(电池可以充电和放电的次数)。

在固态电池中,液体或凝胶电解质消失。 而是由夹在两个电极之间的“固态”层代替。 “固态”是指该层不是液体,而是物理固体。 该材料可以由陶瓷,玻璃或甚至塑料状聚合物,或这三种材料的某种混合物组成。

那么为什么要使用固体电解质? 有两个主要原因。 首先,具有固体电解质的电池比具有液体电解质的电池占用更少的空间。 这意味着可以在相同的体积中包装更多的能量。 所以, 能量密度 - 一个重要的电池指标 - 上升。

第二个原因是安全。 液体或凝胶电解质比固体电解质更容易着火。

传统上,固体电解质的主要挑战是导电性差,特别是在室温下(25°C或77°F)。 液体或凝胶电解质的导电率比固体电解质的导电率高约1,000倍。 换句话说,固体电解质对锂离子流动具有高得多的抗性。 这导致了若干性能挑战,从较差的循环寿命和无法以快速充电开始。

一些公司提出在高温(> 80°C)下操作固态电池以提高导电性。 但是在大多数使用场景下这是不实际的。

因此,对固体电解质材料的追求仍然是一个非常活跃的探索和发现领域。 对行业有信心会发现更好的材料,然而,我们真的无法预测什么时候会有广泛采用的突破。

另一个具有挑战性的方面是固体电解质的表面稳定性和可制造性。 与液体溶液不同,玻璃和陶瓷电解质不可变形。 它们必须使用高外部压力与两个电极组装,相当于约1,000气氛。 现有的电池制造工厂是否可以为此目的进行重组是值得怀疑的。 如果不是这样,固态电池的经济性无疑将受到影响,就像目前的情况一样。

简而言之,突破性的材料创新有很大的前景,使固态电池成为现实。 然而,仍然存在许多挑战。 我个人不希望在未来几年内看到商业规模的固态电池。 随着价格的持续下降,我们将继续看到传统锂离子电池的演进进展。

但在所有情况下,固态电池都遵循与传统锂离子电池相同的物理原理。 因此,为传统锂离子电池开发的许多电池管理解决方案将不断发展并继续应用。 这是个好消息。

172018年XNUMX月

我搜索了一个问题“我应该将手机充电到100”。 谷歌返回了467万的结果。 从人们提出“如何正确收费”的意见到其他人呼吁“科学”,媒体似乎没有明显的共识。 然而, 与更具社交性的主题观点不同,这个问题应该更加简单,应该有明确的答案。 让我们来探索吧。

我从一个简单的实验开始。 拿两个电池。 将其中一个连续充电至100%并将其放电至零。 重复。 取出第二块电池并仅将其充电至90%。 放电吧。 重复。 现在比较两个电池。 有差异吗? 答案是肯定的,有区别。 充电至100%的电池将老化得更快。

衰老是什么意思? 技术术语是“循环寿命“在实践中,这意味着充电至100%的电池将失去比其他电池更快地存储电荷的能力。 两个电池之间的差异可能在100和300充电周期之间变化。

这样好吗? 嗯,这取决于你的用途。 “好”的定义是相对的。

对于智能手机,我的回答是“我真的不在乎。”

对于电动汽车,我的回答是“是的,它更好,但可能只是轻微的。”

对于电力公司使用的储能电池,我的回答是“是的,绝对的”。

现在,让我们深入了解细节。

智能手机电池的寿命通常为500至800周期。 按循环,我的意思是你能够充电它(到100%)并在它变老和无用之前放电的次数。 一些智能手机制造商的表现要好于其 Apple和三星的电池往往更接近500周期。 LG,索尼和华为等其他公司往往更接近800周期。

让我们将周期转换为现实生活年。 大多数智能手机每天收费一次。 因此,在电池老化之前,800周期约为2年。 这与消费者升级的平均时间相符。 但是等等,你可能会说你计划将智能手机保存的时间超过2年。 你该怎么办?

当然,一个选项是在电池电量耗尽后花费30到$ 50,并在2年后为您的手机提供服务。 另一种选择是仅将手机充电至80%或90%而不是100%。 这项练习可能会让你额外使用一年。

但这不是延长寿命的唯一方法。 您可能不知道如果使用小型AC适配器而不是更大的AC适配器,您可能会获得相同的好处。 对于此方法,请查找额定5瓦的AC适配器,或使用PC中的USB端口为手机充电。 这适用于iPhone或Android手机。 你放弃了什么? 你放弃了快速充电。 如果你一夜之间给手机充电,那你真的不在乎。

Qnovo的自助式插头:具有智能充电算法的智能手机将为您解决长寿问题,因此您真的不必考虑这个问题及其答案。

现在,我们来谈谈电动汽车。 你应该为电动汽车(EV)的电池充电吗? 首先,重要的是要知道EV制造商(从通用汽车和特斯拉到日产和大众)已经将汽车电池的充电限制在80%附近。 您在仪表板中读取的100%实际上是电池额定值的80%。 该数字通常足以满足车辆的保修条款,通常为100,000里程或10年。

如果你租车,那你真的不在乎。 您的租约将在任何有意义的电池老化出现之前很久就会过期。但是如果您购买了电动汽车并计划保留很长时间,那么您可能会有动力不再充电。

但是等等,这也不是获得更长寿的唯一方法。 每次使用增压器或直流快速充电时,都会对电池造成严重损坏。 因此,请尽量避免使用增压器。 对于某些特斯拉型号中使用的松下电池来说,这一点尤其严重。

最后,我将补充几个关于他们使用的电力设施和电池的最后一句话。 这些是复杂的系统,预计至少运行20年! 它们也是非常昂贵的资产,耗资数百万美元。 所以长寿是一个严重的问题。 当然,用户对这些电池的充电方式没有发言权。 公用事业和电池制造商会监视这些电池,以便它们能够持续很长时间。