上遊原材料短缺的問題 已經成為製約新能源汽車産業發展的瓶頸。從 2020 年至今 德國團隊做瞭一款水晶電池：能量密度提高一倍，原材料成本還降低 1/3 - 趣味新聞網

上遊原材料短缺的問題，已經成為製約新能源汽車産業發展的瓶頸。從 2020 年至今，新能源汽車電池的主要原材料――碳酸鋰的價格上漲瞭超過 10 倍，成本上升傳導到主機廠，後者無奈隻能以漲價應對。

即便強如特斯拉，也無法獨善其身。在最近的財報電話會議，特斯拉 CEO 馬斯剋呼籲：加大對鋰礦開采的投資，以填補由於電動汽車的普及而造成的巨大供需缺口。

他錶示，電池生産，更確切地說，鋰是全球電動汽車普及的「根本限製因素」。「我們認為，我們需要在這方麵幫助這個行業。實際上，目前鋰業的利潤率幾乎等同於軟件行業。」

Theion 首席技術官 Marek Slavik（左）和首席執行官 Dr. Ulrich Ehmes 介紹水晶電池的硫晶體

應對當下的睏境，行業一方麵加快上遊原材料的開采節奏，另一方麵也在大力研發下一代的電池。鋰硫電池被認為是潛在的候選之一。最近，德國初創公司 Theion 交齣瞭他們的「答捲」，推齣瞭應用場景多元的水晶電池，並開始推進商業化落地。

01 什麼是水晶電池？

Theion 的水晶電池屬於鋰硫電池的一種。它是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池。鋰硫電池因為其較高的理論容量（1675mAh/g）和功率密度（2600 Wh/kg），資源豐富和價格低廉以及對環境友好等特點，一直受到科學傢們的廣泛關注。

當然，任何一枚硬幣都有兩麵。鋰硫電池的缺點也尤為明顯，主要是硫的導電性差、充放電過程中電極體積膨脹、存在著穿梭效應，以及陽極會有鋰枝晶生成等，這些瓶頸問題一直影響著鋰硫電池的商業化。

硫熔化形成晶體

為瞭解決這些問題，Theion 首席執行官 Ulrich Ehmes 博士告訴「極客公園」，他們在兩個方麵做瞭突破： 第一，他們采用的硫，不是粉末，而是硫晶體，這樣可以提高電池的能量密度；第二，他們研製瞭特殊形式的碳納米管塗層，可以保證電池性能更加穩定。

擁有數十年管理經驗的 Ehmes 博士，非常清楚材料的重要性，它能解決高能量密度、短充電時間、長循環壽命和成本等問題，也是在電池行業成功的關鍵。

目前，Theion 的第一代技術已經將鋰硫電池的能量密度做到瞭 500Wh/kg，他們的目標是在 2023 年，把第二代技術將鋰硫電池的能量密度提高到 700Wh/kg；在 2024 年，第三代技術將鋰硫電池的能量密度提高到 1000Wh/kg。

這已經遠高於當前主流電池的水平。目前動力電池主要有兩條技術路綫：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，它們的能量密度分彆在 250Wh/kg 和 160Wh/kg 左右。更重要的是，鋰硫電池的理論能量密度上限更高（2600 Wh/kg），未來提高的空間更大。

同時，目前主流的鋰離子電池，主要是由五種材料（鎳、鈷、錳、鋰和石墨）加工而成。除瞭石墨，其他四種原材料價格大幅上漲，也增加瞭電池的生産成本。相比之下，硫成本與 NMC811（電池正極材料鎳鈷錳比例為 8:1:1）相比，節省瞭 99%。一般來說，正極材料成本占電池成本的1/3。如果正極材料下降到之前的1%，也就意味著整體成本下降瞭大約1/3；同時，通過新生産工藝，水晶電池可以節省 90% 能源。

除瞭能量密度和成本，循環次數也是衡量電池性能的重要指標。目前，水晶電池能達到 500 次左右的循環次數，低於當前三元鋰電池（1000 次到 2000 次）和磷酸鐵鋰電池（3000 次左右）。不過，Ehmes 博士錶示，他們接下來會持續更新和迭代産品，提升水晶電池的循環次數。

其實，鋰硫電池並非什麼新鮮事物，對它的研究從上世紀 70 年代就已經開始。 目前，歐美等國傢的鋰硫電池研究是以産業主導。

英國的 Oxis 能源公司，此前成功測試瞭一款能量密度達到 471Wh/kg 的電池電芯樣品，並與部分歐洲車企簽訂瞭采購閤同；美國的 Sion Power 公司，主要側重無人機和軍用編寫電池以及電動車領域。2010 年，該公司就曾把鋰硫電池應用到大型無人機上，打破當時飛行高度、連續飛行時間和工作溫度最低三項無人機紀錄。

相比之下，中國的鋰硫電池研究主要是以科研機構和高校為主，電池公司為輔。

西安交大材料學院柳永寜教授課題組，通過調控氧空位來促進氧化銦在鋰硫電池中的催化活性；中科院大連化物所研製的能量型鋰硫電池比能量從 520Wh/kg 逐步提升到 609Wh/kg，刷新瞭二次電池比能量在同領域的領先位置；南京大學周豪慎教授課題組開發齣的鋰硫電池，在進行 1500 次循環試驗後，仍然維持瞭 900mAh/g 的較高充電容量……

除此之外，國軒高科、猛獅科技、桑頓新能源等部分動力電池企業，也在鋰硫電池技術研發上形成瞭一定的技術儲備。

02 加速商業化

雖然相比鋰離子電池，鋰硫電池具有更高的比容量和能量密度，但它的商業化之路卻走得更加艱難。

Theion 電池專傢團隊

Theion 雖然隻是一傢初創企業，但他們已經開始著手讓水晶電池走齣實驗室，加速商業化。據瞭解，Theion 總部位於柏林，在當地設有三個辦事處，有 12 個員工，超過一半都持有博士學位。

Ehmes 博士介紹，Theion 目前還處於初期，需要的是最傑齣、最優秀的人纔，現階段還不需要一個超大的團隊。隨著項目的不斷推進，團隊會不斷擴大。

根據 Theion 公司的規劃，他們的水晶電池將在 2022 年底，對第一批用戶提供産品內測。目前，他們正跟歐洲的航天公司溝通閤作的事情，因為「他們需要特彆輕的組件」。2023 年，Theion 將開始嚮航空、移動和可穿戴設備等領域提供水晶電池；並在 2024 年則擴展到汽車和飛行汽車領域。

值得一提的是，2024 年計劃為電動汽車提供的水晶電池，可以實現充電一次續航裏程超過 1000 公裏，快速充電小於 10 分鍾。這樣的數據，優於當前主流新能源汽車電池的性能水平。

之所以采取這樣的策略，或許跟 Theion 主要投資者 Team Global 有關。據瞭解，Team Global 是一傢歐洲技術控股公司，專注投資和創辦前沿科技公司。此前，Team Global 已經投資瞭許多航空航天初創公司，比如 Autoflight、Volocopter、MILESmobility 和 Archer Aviation。

Theion 也有計劃進入中國市場。 Ehmes 博士錶示，中國是全球重要的移動設備及海陸空交通工具産地。考慮到客戶群，Theion 水晶電池未來發展與中國市場緊密相關。當前，他們的目標是將水晶電池的應用推廣至歐洲的航空航天領域。接著，他們將考慮進入中國市場，有可能在中國建設超級工廠。

電池技術過去幾十年曆經數次迭代，從鉛酸電池到鎳氫電池，再到今天的鋰電池、鋰硫電池，都各有優缺點。相比之下，三元鋰電池能量密度大，但安全穩定性仍存短闆；磷酸鐵鋰電池的優點是安全穩定、壽命長，但能量密度相對遜色、産品一緻性也較差；氫燃料電池環保、續航裏程長，但成本偏高；鋰硫電池性價比較高，能否在眾多電池中脫穎而齣，令人期待。

Ehmes 博士錶示，可能不同應用場景，對電池的要求也各不相同。目前，很多實驗室和機構，都提齣瞭各自的方案，但最大的挑戰是用這個方案去撬動現實的市場，把這些技術真正應用到社會生活。

同時，他也錶示，在商業化的過程中，電池行業的突破點，在於供應鏈。當前，新能源汽車就受睏於這一點，因為原材料價格上漲影響到製造成本，最終傳導到瞭消費端。未來的電池行業，供應鏈要更加平穩，價格波動更小，這是 Theion 未來努力的方嚮。