会有锂电池技术的摩尔定律吗？

shuszhao · 发表于 2019-10-2 06:54:38

许多人认为，与半导体的摩尔定律类似，电池技术在关键指标上具备固有的增长率（重量能量密度每年增长5~8%），但我们可预期这种情况持续吗？

电池技术革命正在进行中，而且是由锂离子电池所推动。无论是手机、笔记本电脑，还是电动/混合动力汽车，都有机会是以锂离子电池所供电。业界对这项技术的投资很大，2016年这一市场的规模就已达到230亿美元，年度增长率达到17%。

图1：汽车应用是推动锂离子电池市场增长的主动力。（图片来源：Avicenne Energy）

从图1可以看到，锂离子电池的消费类应用市场增长率相对平缓，而电动汽车与大巴车（包括混合动力汽车）则是推动市场增长的主力。消费类电子应用市场增长持平，应该是由于两个主要因素：数量较大以及平均销售价格较低。
随着电动（包括混合动力）汽车的普及率越来越高，预期瞄准此类应用的锂离子电池市场将持续增长，以MWh计算，复合年均增长率（CAGR）达到17%；以营收计，CAGR则为12% （图2）。

图2：电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及电动大巴对于锂离子电池的需求持续增加。（图片来源：Avicenne Energy）

这些应用需要较高的容量重量比（重量能量密度，以Wh/kg为单位），以及较高的容量体积比（体积能量密度，以Wh/L为单位），锂离子电池又是否能够满足呢？
许多人认为，与半导体的摩尔定律类似，电池技术在关键指标上具备固有的增长率（重量能量密度每年增长5~8%），但我们可以预期这种情况得到持续吗？
摩尔定律出自于英特尔联合创始人Gordon E. Moore在1965年发表的一篇论文，它假设在某个给定的单位空间内可封装的晶体管数量每两年大约会增长一倍。该理论的先见之明引人瞩目，而且被大多数高科技企业当作前瞻性预测指标。
不过摩尔定律并非物理定律，如同美国加州理工学院（Caltech）的教授Carver Mead在2005年所言：“摩尔定律实际上与经济学相关，是人们的信仰体系——它不是一种物理定律，而是人类的信仰。当人们相信某件事情时，他们就会集中精力应对而使其成真。”
我认为，这还需要强大的经济需求以及技术倾向，才能实现指数级的演进。CMOS两者兼具，推动了IT与通信的革命，品质因数（figure of merit）是晶体管的数量，这本身也有助于芯片的小型化。
锂离子电池能一样吗？如先前所提，其重量能量密度每年有5~8%的改善，虽然没有像是摩尔定律的每年40%这么高，但无疑也是一种指数式的增长，只是速率比较低。问题在于这种技术本身是否适合这种持续性的演进。
一个有趣的区别是，锂离子电池技术的演进主要是由电芯的不同化学配方所推动。根据学者K. Devaki的演讲数据，如图3所示，橙色的部分代表不同的锂离子电池技术，正在部署与开发中的锂离子电池技术有非常多的种类。

图3：电池的能量密度在持续增加，但每种技术需要新的化学配方。（图片来源：K. Devaki）

与半导体产业不同，电池产业所面临的问题是需要部署不同的技术而实现相对适度的收益。每一种技术都需要长时间的研发才能实现商业化。
举例来说，磷酸锂铁（LFP）电池在1996年就已经开发，当时美国德州大学发现以磷酸盐制作阴极，能实现较高的额定电流与较长的电池寿命，但直到最近十年内这项技术才得到商业化部署。
然而，电池技术正持续实现更高的重量能量密度和体积能量密度，其中有一些改善是以一种单独的化学配方而线性实现，还有一些是通过新的化学配方而跳跃式实现。而锂离子电池技术的下一次突破，有可能是以锂硫电池和锂空气电池为基础。
如同摩尔定律，这种发展趋势就算一年有5~8%的增长，但也是有实际限制的。我们也很难让一种材料取得每原子超过1电子伏特（eV）的更多能量——粗略计算可达到850Wh/kg。听起来好像不错，但这也只比图3所示的锂钴电池技术的密度高五分之一而已。在现阶段，这只能说是慢动作版本的摩尔定律。