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不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  身邊不用電的東西越來越少,充電線越來越多,“電池的續航”已經成為了全球範圍內的一個現象級的痛點。要解決這樣的痛點,就需要一場現象級的革命,QZ一篇巨長的文章詳述了這場革命的誕生。

  主角是華人科學家蔣業明,他是2000-2010年全球頂尖一百材料學家名人堂上的科技名人,全球總排名66位。他創辦的鋰電池企業A123於 2009 年 IPO,儘管短短三年後公司宣告破產,絲毫無損蔣業明在業界的聲望和地位。

  蔣業明其人

  蔣業明出生在台灣,父親是一名機車工程師。6歲時,蔣業明的父親將他帶到了美國。白駒過隙,他被MIT錄取,在學校結識了日美混血的髮妻,於是紮根在了MIT。蔣業明在MIT的平台上與風投資本合作,先後創辦了4家初創公司,其中最近的一家就是做電池的24M。

不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  如今,57歲的蔣業明留着灰白寸頭,喜歡穿藍色長袖襯衫。說話輕柔,總是在一句話結尾時露出兩排白色的牙齒。他現在住在波士頓周邊的一個農場,養着蜜蜂和雞,有時也去附近打獵捕魚。

  磁帶生產線竟然能用來生產鋰電池

  在美國密歇根州,XALT運作着一家最現代、高效的電池廠,投資了3億美元;特斯拉在內華達州的鋰離子電池廠更是花費了50億美金。儘管生產商不願透露,分析師稱鋰離子電池組的成本大約是500美元/千瓦時,那500美元里,有150美元用在原材料上,另有200美元用在生產上。而汽油的單位成本僅為電池的四分之一。

  電池生產的高昂成本是蔣業明的創業基礎,但電池廠為什麼這麼大,還得回到鋰離子電池的出身。這個出身竟與磁帶有着千絲萬縷的聯繫。

不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  1990年代初,基於磁帶和鎳鎘電池兩項科技,索尼做出了磁帶攝像機(Camcorder)。但是索尼明白,消費者需要攝影,更需要便攜的設備來實現這個功能。於是,研發更小、更強的電池成為了當務之急。1991年,索尼將第一款鋰離子電池推向商用,兩年後發布的TR1 8毫米攝像機也就成為了世上第一款使用鋰電池的攝像機。

  隨着鋰電池的需求增長,如何大規模生產鋰電池成為了索尼面臨的新挑戰。此時,索尼家的另一個產品,體積更小的光盤,開始侵吞磁帶的市場。於是,索尼工廠里大批的磁帶生產設備開始閑置。生產磁帶是一套複雜的工藝:長長的生產線給膠片裹上磁性泥漿,乾燥后再切成一條條細長的帶子,捲起來。

  似乎天意如此,這套閑置的設備竟然可以用來生產鋰電池。

  這套設備和操作設備的人,成為了世界的鋰電池先驅。直至今天,鋰電池的生產流程與當年並無太大不同。但摘去傳奇故事的光環,這些設備其實非常的笨拙——塊頭大,效率低,因此電池至今仍無法撼動石油的地位。

  最初的靈光一現

  最初,蔣業明提出的解決方案是“液流電池”。

不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  液流電池系統中通常包含兩個容器,其中儲存着液體化學溶劑,形成兩個次系統。這兩個次系統間的連接部分為發電區,以一個薄膜隔開。這兩種化學溶劑,從它們所在容器流動到發電區,隔着薄膜產生離子交換,進行放電或儲電。

  增加鋰電池的容量有兩條路:一是增加電池芯數量,二是增加能量密度。增加電池芯數量的話,鎳和鈷等金屬的消耗將同比例增加,邊際成本很高。而要增加液流電池的容量只需連接更大的液體倉,成本很低。缺點就是體積太大,因為液流電池的能量密度遠遠低於鋰電池。

  蔣業明想,為何不用鋰電池的化學成分來造液流電池呢?這種結合的產物將擁有比液流電池更小的體積,比鋰電池更低的生產成本。於是他把這個課題交給了一位本科生Mihai Duduta,僅僅一個月後,Duhata拿出了第一個工作原型。如此驚人的速度讓所有人吃了一驚,蔣業明隨即向投資人展示了原型,並獲得了1250萬美元的投資。有了彈藥,24M開工了。

  只是,畫面太美,世界把24M當成了挑戰風車的唐吉坷德。

  新概念走向死胡同

  24M的一個小實驗吸引了他們的注意力。蔣業明要求團隊生產一些鋰離子靜態電池作為對照,結果非常令人意外。他們用液流電池的泥漿製作了一些靜態電池,並對它們進行數百次的充放電,電池容量竟然驚人地穩定。這一現象讓一些年輕的員工,包括立下汗馬功勞的Duduta,對液流電池產生了懷疑。這些年輕人不像蔣業明那樣痴迷於液流電池,他們開始認為靜態的電池才是正確的出路。

  24M液流電池的成敗,取決於能否找到合適的儲液罐尺寸,來使液流電池的生產成本降到靜態電池(static battery)之下。而直至2010年末,團隊仍然沒有找到這個“盈虧平衡點”。兩派觀點各執一詞,蔣業明不認為“平衡點”是個問題,而他多年的合作夥伴Craig Carter卻堅持要找到這個平衡點。Carter招來一個小夥子,Jeff Disko,以不找到不罷休的精神,開始死磕各項參數。

  接下來的兩周時間裡,Disko加班加點對數據進行整理,Carter則做了個軟件,用於對電池參數進行可視化展示。兩周后,他們終於找到了那個平衡點。結果是,要與化石能源競爭,鋰離子液流電池將需要一個巨大的液流倉。要多大?大概相當於一座核電廠那麼大。

  這樣的結果,不但Carter和Disko不敢相信,對於整個團隊來說都是難以接受的。他們反覆對數據進行核對,“不可能”的答案反覆呈現。於是2011年初,他們舉行了一次會議,會上他們向團隊展示了研究結果:除非是要為一座城市供能,否則還是用靜態電池比較划算。

  假如沒有磁帶,人們將怎樣生產鋰電池?

  與許多初創公司一樣,當初靈機一動的點子都會死在商業化的道路上。開完會兩天後,蔣業明宣布放棄液流電池,公司將研發一種靜態電池。24M 把做過的事情歸零,思緒回到了鋰電池誕生的地方:

  如果索尼當初沒有那堆閑置的磁帶生產機器,他們會怎樣生產鋰電池呢?

不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  Duduta戴上了黑色的橡膠手套,開始在真空盒子裏手工製作電池。幾個同事也陸續加入了純手動模式的行列,直到逐漸形成了一條手工的生產線。熟能生巧,到後來,他們手動生產一塊手機電池大小的單元只需6分鐘。

  經過黑暗中的摸索,團隊對生產工藝反覆改進,最終打造出了一個生產平台,讓電池的能量密度和生產速度都發生了質的變化。新技術讓導電劑保持液態,省卻了原本漫長的乾燥過程,使生產時間大大縮短。另一方面,新技術能減少電池內部80%的不產生電能的組件,讓電池內部空間使用率更高。

  儘管產品與最初的概念有些出入,投資人對24M取得的進展非常滿意,於是新的投資也接踵而至,讓24M的總融資額達到 5450 萬美元。一位投資人說:

  他們的新電池有 50% 的機會將摩爾定律帶到一個新的領域(電池)。

  24M要顛覆的未來

  蔣業明正在啟動 2000-3000 萬美元第三輪融資,新的資金將用於研發一種機器,能在 2-10 秒內產出一個電池芯。這個機器不生產用於汽車的電池,而是用於為家庭和設施供電的固定電電池。

不只特斯拉 這位華裔科學家也要做超級電池

  新機器能以 160 美元的成本生產任何鋰離子電池,蔣業明預測,到 2020 年這個數字還將降到 85 美元,比同時期傳統鋰電池低 30%(考慮傳統鋰電池成本的下降)。最重要的是,這套機器定價大概在 1100 萬美元左右,因此將能有效吸引創業公司進入鋰電池領域。

  綜上,如果 24M 的機器能夠造出來,並成功推向市場,將帶來一場毋庸置疑的革命。儘管這可能把困難說得太簡單,畢竟很多企業都在“造出來”和“商業化”這兩個環節倒下。

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