電動(dòng)飛機(jī)可能會(huì)成為特種的未來。從理論講，電動(dòng)飛機(jī)相比傳統(tǒng)飛機(jī)更安靜、更便宜、更環(huán)保。如果充電一次電動(dòng)飛機(jī)能夠飛1000公里，它就可以完成今天近一半的商務(wù)飛行任務(wù)，讓全球特種碳排放削減15%。

電動(dòng)汽車也一樣。事實(shí)上，電動(dòng)汽車不只環(huán)保，而且它還是更棒的汽車。電機(jī)幾乎沒有什么噪音，能夠快速響應(yīng)司機(jī)的命令。給汽車充電的成本比燒油便宜得多。電動(dòng)汽車只有很少的活動(dòng)部件，維護(hù)成本更低。

為什么電動(dòng)汽車還沒有普及呢？因?yàn)殡姵靥嘿F，購(gòu)買電動(dòng)汽車的前期投入比相似的汽油汽車更大。除非你老是開著汽車，否則省下的汽油錢還不夠彌補(bǔ)前期支付成本的。簡(jiǎn)單來說，電動(dòng)汽車仍然不夠經(jīng)濟(jì)。

按重量或者體積計(jì)算，目前的電池還無(wú)法用來驅(qū)動(dòng)客機(jī)。人類需要在電池技術(shù)上取得突破，然后它們才能真正流行。

電池便攜設(shè)備改變了我們的生活，但電池受到物理原理的限制。1799年，人類發(fā)明第一塊電池，自此之后的兩個(gè)多世紀(jì)，我們不斷研究，但是科學(xué)家仍然無(wú)法完全理解設(shè)備內(nèi)部到底發(fā)生了什么。我們只是知道，如果想讓電池再次改變我們的生活，有三個(gè)問題需要解決：功率（power）、能量（energy）和安全（safety）。

沒有萬(wàn)能鋰電池

每一塊鋰電池都有兩極：陰極和陽(yáng)極。大多鋰電池的陽(yáng)極是用石墨制造的，陰極卻有多種不同的材料，具體要看電池用在哪里。從下面這張圖中，你可以看到不同的陰極材料對(duì)電池性能的影響。

功率的挑戰(zhàn)

許多時(shí)候，我們經(jīng)常會(huì)將“Energy”和“Power”混用，不過放在電池上，二者的含義有點(diǎn)不同。Power代表能量的釋放速度。我們管它叫功率。

如果想讓商務(wù)噴氣式飛機(jī)充電一次飛1000公里，需要強(qiáng)大的電池，在非常短的時(shí)間內(nèi)釋放足夠大的能量，在起飛時(shí)尤其如此。所以說，光是在電池中存儲(chǔ)大量能量還不夠，還要以很快的速度釋放。

如果想解決功率問題，就要深入了解一些商務(wù)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們總是炒作新電池技術(shù)，主要是因?yàn)槲覀儧]有深入觀察內(nèi)部細(xì)節(jié)。

在我們使用的電池中，最常見的化學(xué)物質(zhì)是鋰離子。大多專家認(rèn)為，在未來10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，沒有其它化學(xué)物質(zhì)可以擊敗鋰最子。鋰離子電池有兩個(gè)電極（陰極和陽(yáng)極），還有一個(gè)分離器（一種傳導(dǎo)離子而非電子的材料，可以防止短路），分離器放在中央，還有電解液（通常是液體），它讓鋰離子在兩極之間來回流動(dòng)。當(dāng)電池充電時(shí)，離子從陰極流向陽(yáng)極，當(dāng)電池放電時(shí)，離子向相反的方向移動(dòng)。

我們不妨將它想象成兩塊面包，左邊一塊是陰極，右邊一塊是陽(yáng)極。我們不妨假定陰極是由鎳、錳、鈷片（NMC）組成的，陽(yáng)極是由石墨組成的，它相當(dāng)于讓碳原子一層一層疊加。

在放電狀態(tài)下，NMC面包在夾層之間會(huì)有鋰離子夾心。電池充電時(shí)，鋰離子從夾層中提取，被迫穿過液體電解質(zhì)。分離器確保只有鋰離子能穿過石墨層。當(dāng)電池完全充滿電，陰極不會(huì)有再有任何鋰離子，它們?nèi)颊R排列在石墨塊之間。當(dāng)電池釋放電能時(shí)，鋰離子向陰極回流，直到陽(yáng)極沒有任何鋰離子。此時(shí)我們就要再次給電池充電了。

從本質(zhì)上講，電池的功率是由處理速度的快慢決定的。要想加快速度沒有那么簡(jiǎn)單。將鋰離子從陰極中抽取，如果速度太快，層會(huì)受損。正因如此，手機(jī)、筆記本、電動(dòng)汽車使用時(shí)間越長(zhǎng)，電池壽命也全變短。每一次充電放電，都會(huì)讓“面包塊”變得脆弱。

許多公司正在尋找更好的解決方案。有一種構(gòu)想是這樣的：用結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固的物質(zhì)替代電極層。例如，瑞士電池公司Leclanché正在開發(fā)一種技術(shù)，它用磷酸鐵鋰（LFP）作為陰極，擁有橄欖石型結(jié)構(gòu)，用鋰鈦氧化物（lithium titanate oxide，LTO）作為陽(yáng)極，它擁有尖晶石型結(jié)構(gòu)。用這樣的材料制作電池，鋰離子流動(dòng)效率更高。

目前Leclanché已經(jīng)將自己的電池裝進(jìn)無(wú)人駕駛叉車，9分鐘就能充滿100%的電量。對(duì)比特斯拉超級(jí)充電器，它給特斯拉汽車充滿50%的電量大約要10分鐘。在英國(guó)，Leclanché正在部署，想將自己的電池裝到快速充電電動(dòng)汽車上。電池裝在充電站，緩慢從電網(wǎng)吸收電量，直到完全充滿。當(dāng)汽車入站，電池會(huì)給汽車電池快速充電。當(dāng)汽車離開，充電站的電池又開始充電。

Leclanché’s的研究向我們證明，人類完全有可能找到更好的電池化學(xué)物質(zhì)，增強(qiáng)電池功率。不過到目前為止，人類還沒有找到能量釋放足夠快、可以滿足商務(wù)飛機(jī)需要的電池。一些創(chuàng)業(yè)公司正在開發(fā)小型飛機(jī)，最多可以坐12人，它們可以安裝能量密度更低的電池，或者是電力混動(dòng)飛機(jī)，當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)用燃油，巡航時(shí)用電池。

可惜，雖然研究的公司很多，但沒有一門技術(shù)接近商用。卡耐基梅隆大學(xué)電池專家Venkat Viswanathan說，純電動(dòng)商務(wù)飛機(jī)需要的電池可能還要幾十年才能研究出來。

能量挑戰(zhàn)

Model 3是特斯拉最便宜的汽車，起步價(jià)35000美元。汽車裝備50千瓦時(shí)電池，成本大約8750美元，占了汽車總價(jià)的25%。

相比前幾年，這樣的成本已經(jīng)降了很多。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的報(bào)告，2018年鋰離子電池的平均成本大約是每千瓦時(shí)175美元，2010年約為1200美元。

按照美國(guó)能源部的計(jì)算，一旦電池成本降到每千瓦時(shí)125美元，擁有并使用一輛電動(dòng)汽車的成本就會(huì)汽油汽車低，至少在全球大多地區(qū)如此。并不是說到時(shí)在所有細(xì)分市場(chǎng)及主要市場(chǎng)，電動(dòng)汽車會(huì)全面戰(zhàn)勝汽油汽車，比如，長(zhǎng)續(xù)航卡車用電池驅(qū)動(dòng)還不是很合適。不過如果到了這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，大家選擇電動(dòng)汽車就會(huì)變得更容易，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)角度看已經(jīng)可以接受了。

要想達(dá)到這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有一個(gè)辦法就是增加電池的能量密度，向電池組擠入更多的千瓦時(shí)。從理論上講，我們?cè)陔姵鼗瘜W(xué)方面是可以做到的，要么增強(qiáng)陰極的能量密度，要么增強(qiáng)陽(yáng)極的能量密度，要么同時(shí)提升。

在商用材料中，能量密度最高的陰極是NMC 811（數(shù)字代表鎳、錳和鈷的比例）。不過這種電極仍然不完美。最大的問題是電池的充放電循環(huán)次數(shù)相對(duì)較少，然后就沒法用了。不過專家預(yù)測(cè)，在未來5年內(nèi)，行業(yè)研究人員將會(huì)解決NMC 811問題。如果真的做到，使用NMC 811的電池能量密度將會(huì)提高10%甚至更多。