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。

如今,57 歲的蔣業明留著灰白寸頭,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,養著蜜蜂和雞,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

在美國密西根州,XALT 運作著一家最現代、高效的電池廠,投資了 3 億美元;Tesla 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 美元裡,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著千絲萬縷的聯繫。

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1990 年代初,基於磁帶和鎳鎘電池兩項科技,Sony 做出了磁帶攝像機(Camcorder)。但是 Sony 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,Sony 將第一款鋰離子電池推向商用,兩年後發布的 TR1 8 毫米攝影機也就成為了世上第一款使用鋰電池的攝影機。

隨著鋰電池的需求增長,如何大規模生產鋰電池成為了 Sony 面臨的新挑戰。此時,Sony 家的另一個產品,體積更小的光碟,開始侵吞磁帶的市場。於是,Sony 工廠里大批的磁帶生產設備開始閒置。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,乾燥後再切成一條條細長的帶子,捲起來。

似乎天意如此,這套閒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」。

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液流電池系統中通常包含兩個容器,其中儲存著液體化學溶劑,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,隔著薄膜產生離子交換,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學生 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 招來一個小伙子,Jeff Disko,以不找到不罷休的精神,開始死磕各項參數。

接下來的兩週時間裡,Disko 加班加點對數據進行整理,Carter 則做了個軟體,用於對電池參數進行可視化展示。兩週後,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。他們反復對數據進行核對,「不可能」的答案反復呈現。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。

  • 一切歸零: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。開完會兩天后,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 Sony 當初沒有那堆閒置的磁帶生產機器,他們會怎樣生產鋰電池呢?

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Duduta 戴上了黑色的橡膠手套,開始在真空盒子裡手工製作電池。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,團隊對生產工藝反復改進,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

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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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