鋰離子電池于1991年首次在索尼公司攝像機中向公眾推出，從此之后徹底改變了人們的生活。多功能鋰離子電池現在為醫療微型植入物、智能手機、叉車、電動汽車等各種設備提供動力。然而，鋰離子電池技術仍然不足以完全取代燃油汽車，另外其高昂成本難以解決太陽能和風能大量儲能問題。

總部位于馬薩諸塞州的初創廠商Pellion 公司首席執行官Dave Eaglesham認為，該公司開發的電池產品超越了鋰離子電池的性能，這將使電池行業進入下一個技術顛覆階段。該公司完成了研究人員幾十年來一直在努力的事情：開發了可靠的可充電鋰金屬電池。

雖然其他初創公司多年來開發了一些種類的鋰金屬電池，但是這些公司的產品都處在開發或測試階段；Pellion公司自2月以來已經向至少一個客戶出售了此類電池產品。

Pellion公司開發的電池與傳統鋰離子電池能量密度相比提高近一倍。例如，它可以使無人機在空中飛行時間增加一倍。與電池行業目前平均每年10％左右的效率改善相比，其能量密度增加100％，這是一個階躍性變化。如果Pellion公司克服了早期限制，其電池可能在為特斯拉汽車電池充電一次后提供800公里（500英里）的電力，而不是當今400公里的上限。

鋰離子電池名稱是因為其帶電原子，也就是人們常說的“鋰離子”。當電池充電和放電時，鋰離子在兩個電極（陽極和陰極）之間穿梭。

該技術的局限之一是鋰離子只能攜帶一個正電荷。在理論上，簡單地使用帶有兩個正電荷的鎂離子意味著在電池中包含更多能量。2011年，麻省理工學院博士后Robert Doe和其當時的導師Gerd Ceder教授創建了Pellion公司，其目標是開發鎂離子電池。在兩年內，Pellion公司的實驗室開發出一個工作原型，但它有很多問題。盡管鎂離子電池工作正常，但在充電和放電等簡單事情上，它卻無法與鋰離子電池匹敵。

Pellion公司首席運營商 Eaglesham表示，“我們擁有世界上最好的鎂離子電池，但無法將其變成一種引人注目的產品。”然而，Eaglesham注意到，在構建工作原型的過程中，Pellion公司已經解決了行業長期存在的可充電電池挑戰之一：如何安全地將金屬放置在陽極上。

鋰和鎂等富含能量的金屬往往具有高度活性。當一塊電池充滿能量密集的電解液時，會使系統更加危險。還記得爆炸的三星Galaxy Note 7嗎？

這就是為什么典型鋰離子電池使用由石墨制成陽極的原因。但是石墨陽極每六個碳原子只能儲存一個鋰原子，而完全采用由鋰原子制成的陽極代替石墨，也就是鋰金屬陽極，并將為電池節省了大量空間。

在今年1月發表的一項研究報告中，美國能源高級研究計劃局(ARPA-E)項目總監Paul Albertus使用這張圖片來說明鋰金屬電池的能量密集程度：

Eaglesham向Pellion的新同事提出這樣的觀點，如果他們找到了一種安全使用金屬陽極的方法，與其絞盡腦汁克服鎂離子電池的缺陷，不如轉向研究鋰電池。這樣，他們可以利用鋰離子電池30多年的技術與經驗來解決一些微小而重要的問題，如充電一致性或電壓波動，同時仍然可以制造能量密集型電池，并在蓄電池行業的創新方面取得進展。

火災的評判

科學家們早就認識到，鋰金屬成為負極在理論上會產生更多的能量。事實上，20世紀70年代石油巨頭埃克森公司開發的第一個鋰離子電池陽極含有鋰金屬（埃克森公司當時正在研究電池技術，因為擔心終有一天石油將會耗盡。）該公司開發了一次性使用的鋰金屬電池，并實現商業化，甚至現在也用在專門的應用，如深海鉆探。

可充電鋰金屬電池的商業化是一個更大的挑戰。在20世紀80年代，加拿大創業廠商Moli Energy公司是第一個成功推出這種產品的公司。但其電池產品頻繁起火，該公司不得不進行召回。這些事件導致法律訴訟，Moli Energy公司被迫宣布破產。

在可充電電池中使用鋰金屬會產生三大問題：首先，它可能和任何物質發生反應：水、氧氣，甚至氮氣（所有這些都存在于空氣中），使其更容易著火。

其次，鋰的活性意味著將與電池的液體電解質發生副反應，液體電解質本身就是一種富含能量的介質。這些不良反應減少了可用的鋰，并且每次充放電循環都會使電池壽命惡化。

第三，當鋰金屬電池放電時，鋰離子從陽極表面分離并移動到陰極。當電池充電時，相同的離子返回并作為鋰金屬沉積在陽極上。但是，鋰金屬并不是在陽極上形成良好的光滑涂層，而是產生“枝狀” 晶體，即從陽極表面生長的鋰原子鏈，其看起來像樹枝。枝狀晶體隨著每次充放電循環而增長，最終到達陰極，并導致電池短路，導致火災。

由于該行業在20世紀80年代后期遇到了這些問題，索尼公司發明了石墨陽極。雖然其能量密度較低，但它可以使鋰電池更安全、更可靠。從那時起，石墨陽極一直是該行業的主流技術。

然而，將近30年后，人們正在努力克服石墨陽極的局限性。電動汽車和電動飛機等下一代應用將需要具有相同能量但重量輕得多的電池，其體積更小。許多公司正在競相開發革命性電池陽極技術，風險資本家正在對此進行投資，以期贏得這個賭注。

零鋰狀態

為了抵消鋰的高反應性，一些電池開發商嘗試采用額外的安全措施，以防止鋰與電池內的水、氧氣或氮氣直接接觸。這不可避免地增加了制造成本。

一些客戶（例如商用無人機用戶）愿意支付這種溢價。但Eaglesham認為這也意味著這樣的電池制造商沒有能夠擴展到細分市場以外的業務。

根據Eaglesham的說法，即使以某種方式控制成本，內置鋰金屬的電池也不太可能通過安全測試。這些測試旨在將電池置于極端但卻是實際情況的條件下：將釘子刺入電池（可能發生在車禍中），或將其加熱到50°C以上或122°F（溫度）（汽車或無人機內容很容易達到的溫度）。

該行業充斥著制造鋰金屬電池但失敗的公司的例子。例如，總部位于亞利桑那州的Sion Power公司開發一種鋰硫電池（陽極是鋰金屬，陰極是硫磺），用于記錄無人駕駛自動駕駛汽車。但它在達到商業規模生產之前放棄了這項技術。而該公司仍在努力開發鋰金屬電池，但使用不同的陰極。

這就是為什么Pellion公司開發生產電池不是從鋰金屬內部開始的原因。相反，其電池制造方法與傳統的鋰離子電池完全相同，其中包括使用液體電解質，廣泛使用的陰極和采用銅片的陽極。這一點至關重要，因為它允許Pellion公司利用亞洲現有的鋰離子電池工廠進行生產，而其制造電池成本要低得多。

在放電狀態下，Pellion公司電池的鋰離子緊貼在陰極內部。當電池第一次充電時，鋰離子從陰極流出，在銅陽極上沉積成鋰金屬層。第一次充電是在電池與外部環境完全密封的狀態下進行的，因此保護了新形成的鋰金屬層。這種結構稱為“零鋰”或“無鋰”。

“這是一個了不起的壯舉。”卡內基梅隆大學電池專家Venkat Viswanathan說。另一位專家稱其為鋰金屬電池的“圣杯”。

市場利基市場之王

Pellion公司開發的電池確實有局限性。通常需要三個小時才能完全充電，而且價格也不便宜。雖然專家表示Pellion開發的電池印象深刻，但許多人表示擔心生命周期有限：它只能保證50次充放電生命周期。

這遠遠低于智能手機電池所需的大約300個充放電生命周期或電動汽車所需的1000個充放電生命周期。Eaglesham表示，該公司最新開發的電池已經超過50次充放電生命周期。但Viswanathan認為，從50個充放電生命周期上升到500個，這比Pellion公司到此為止所取得的成就要困難得多。加州創業廠商PolyPlus公司首席執行官Steven Visco對此表示認同，他認為使用Pellion電池所用的液體電解質從根本上限制了鋰金屬電池可以實現的生命周期。

阿貢國家實驗室首席電池研究員Venkat Srinivasan說：“電池初創公司很難為早期產品找到客戶。而Pellion已經開始為客戶提供產品，這是一個成就。”而一些鋰金屬電池初創廠商Sion Power、PolyPlus、Solid Energy Systems和Ion Storage Systems表示，它們的產品正處于驗證階段，并向客戶和第三方測試人員測試采用其工程原型產品。還有一些公司對此拒絕發表評論。

Eaglesham說，交付鋰金屬電池產品是一項“重大突破”。Pellion公司第一批客戶是商用無人機制造商，該公司于今年2月開始銷售其電池，并預計到年底將有數百萬美元的收入。

“當前的電池技術低估了無人機市場潛力。”Eaglesham說，“我們發現，有些用戶渴望更長的飛行時間，所以電池充放電的壽命周期并不那么重要。”

電池公司目前最大的市場是電動汽車市場。彭博新能源金融公司預計，2025年銷售的所有汽車中，10％將是電動汽車。為滿足這一需求，電池行業的規模將增加五倍，每年可生產價值約600億美元的電池。

鑒于這些限制，Eaglesham表示還沒有考慮進入電動汽車市場。但其電池規格使其成為一個很好的候選者。相比之下，像特斯拉公司的電動汽車中鋰離子電池的能量密度為每升600瓦時（Wh/l）和每千克220瓦時（Wh/kg）。 Pellion公司的數字幾乎翻了一番：達到了1,000Wh/l和400Wh/kg。Eaglesham說，電池技術的飛躍使得這家初創公司能夠從Khosla Ventures和Motorola Solutions等公司獲得數千萬美元的投資。

超越炒作

作為一個快速發展的行業，蓄電池行業將會產生更大規模元的公司，眾所周知，電池開發者通常可以秘密運營，對其技術保密。但這意味著如果沒有適當的第三方驗證，很難將事實與炒作區分開來。這就是為什么這么多看起來具有很大發展前途的電池創業公司在過去十年中破產的原因。

例如，Envia公司是2012年的美國先進能源計劃（ARPA-E）皇冠上的珠寶。 Envia公司表示其開發的鋰離子電池的能量密度大幅提升，從而降低電動汽車的成本。它甚至說服通用汽車公司簽署協議并投資數百萬美元。當時，這家汽車巨頭迫切需要為2016年上市的下一代雪佛蘭Volt汽車推出一款新電池。而在籌集近3000萬美元并投入運營10年后，Envia電池運營方面出現虧損，并于2017年倒閉。

所以Pellion公司開發的技術需要實踐驗證。而Eaglesham表示，該公司的客戶已經驗證了其技術，但他以保密協議為由沒有透露客戶的名稱。

Eaglesham以前是First Solar公司首席技術官，該公司在脫離太陽能電池業務方面證明了自己的成功。聯合創始人Gerd Ceder現在是Pellion公司董事會成員，他說Eaglesham在Pellion取得了成功，因為他在商業和技術方面都很擅長。

“電池商業化是一個非常困難的問題，大多數電池初創公司都倒閉了。”Ceder說。“這些公司都是由首席執行官經營的，他們都在倒閉之前在籌集資金并加大賭注，而Pellion公司則沒有這么做。”