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电池制造商A123Systems开发的一种新型锂离子电池将帮助电动汽车和混合动力车成为公路的主流车。 【侧面撞击：A123 Systems为通用汽车公司Volt电动汽车所设计的一组电池在挤压破坏试验后仍能正常工作。其它锂离子电池如果受到这种高速撞击会过热而着火。】 这是世界上速度最快的电动摩托车。在流行的 YouTube视频中，驾驶员“磨胎”（让后轮转起来加热轮胎）之后，黑色的赛车几乎消失在一团浓烟之中。浓烟还没散去，驾驶员坐正其位，按下开关，摩托车就已经向前窜出。不到1秒钟，车子就加速到每小时60英里（97公里）。再过几秒钟，赛车就越过四分之一英里的标志线，时速达到168英里（257公里）。其速度足可与汽油驱动的赛车相媲美。 超级电动摩托车KillaCycle的动力来自A123 Systems所开发的新型的锂离子电池。A123 Systems 创业于麻萨诸塞州的沃特镇（Watertown），是那里为数不多的几个开发类似技术的公司之一。该公司生产的电池所储的能量是油电混合动力车所使用的镍氢电池的数倍，而且前者可以提供阵发的能量，以满足高性能的要求。与便携电子产品中所用的锂离子电池相比，这种新型电池有了根本性的改进，从而为长期停滞不前的电动车市场（在美国仅占汽车市场的1%的份额）注入了活力。特别，A123 Systems 的电池引起了通用公司的兴趣，被用作配有汽油发电机的Volt汽车的动力并展开试验。新车型预计2010年上半年投入批量生产。 过去，汽车制造商将电动车的销路不佳归咎于它采用的铅酸电池或镍氢电池。这两种电池过于笨重，使车辆行程受限；又过于庞大，占了车辆相当部分体积。传统的锂离子电池虽然是轻多了，也紧凑多了，但对于电动车辆来说xxx达不到要求。部分原因是这些电池使用了锂钴氧化物电极，而锂钴氧化物是不稳定的，用它作电极的电池使用两三年就会老化，一旦受冲击、挤压、超载或过热，就会燃烧起来。一些汽车制造商试图绕开这些问题，结果证明代价高昂。 A123 Systems 的电池终于使锂离子技术用于汽车工业成为现实。这种电池的电极材料不用钴氧化物，而采用经微量金属改性的锂磷酸盐的纳米颗粒。由此制成的电池即使在事故中受挤压也不易着火，同时也比传统的锂离子电池要结实得多：据 A123 Systems 公司预计，这种电池的使用期限会超过典型的汽车寿命。 该新型电池的良好前景使 A123 Systems 公司成为美国得到足够资助的技术创业公司之一，迄今已获得 1.48亿美金的风险投资。A123 Systems 利用资助着手推进雄心勃勃的商业计划，从完善材料、制造电池直到将电池销售到汽车业和电动工具业的客户。 A123 Systems为通用汽车公司Volt汽车所设计的电池，所储能量足以行驶40英里的距离，满足日常上班族的需求。（更长的行程中小的汽油发电机将启动为电池充电，使行驶距离超过400英里。）通用汽车公司为该车预定的价格是3到3.5万美元；在该车推出的最初几年，这种价格下的销量可达几十万辆。J.D.Power and Associates公司估计，通用汽车公司到2014年可售出约30万辆这种汽车。 材料直观重要 2001年初，一位26岁，名叫里奥•富洛普（Rio Fulop）的委内瑞拉企业家，未经约见踏进了MIT材料科学教授蒋业明（Yet-Ming Chiang）的办公室。蒋回忆说：“他突然出现，敲我的门。” 富洛普已建立了三家风险投资的公司，希望有人帮他创建一家电池公司。他知道蒋正在从事一项涉及纳米技术的电池研究。蒋本人在1980年代后期曾与他人合作成功创建了一家创业公司，但他的大部分时间用于纳米技术和先进陶瓷化学的研究。 是年秋天，富洛普、蒋以及蒋先前在风险投资中认识的巴特•赖利（Bart Riley） 共同建立了A123 Syetems公司。他们计划将蒋的一个创造性的想法商业化：蒋认为材料经过充分熔合后会自发组装而形成能工作的电池。这一过程将会使储存的能量翻番，同时降低制造成本。 蒋的宏伟想法打动了投资者。到2001年年底，从不同的风险投资公司取得的{dy}批资助已达 830万美金。摩托罗拉公司和高通公司对此也很感兴趣，觉得可以为其便携式电子产品配置更好的电池，很快追加了400万美金。但是，很快人们就明白，要制造出可商用的、自装配电池还需要几年的时间。蒋说，这项技术“还处于相当初级的阶段。” 然而，2002年初蒋有了一个惊人的发现，xx改变了公司的方向。他原来研究的是锂磷酸盐，它不同于其它锂离子电池所采用的材料，xx、安全，而且价格便宜。然而，它有一些严重的缺点。它储存的能量要比传统的锂离子电池的电极材料锂钴氧化物所储的少，因而不适于手便携电子产品的使用，因为对后者而言，储存能量的大小是至关重要的。而且，它充放电很慢，因而不适合高能耗产品，例如，油电混合动力车。即使对于xx电动的车辆（它用的电池组数要比油电混合动力车用的要多很多），这种新材料所提供的能量也不够。 因此，蒋开始加入微量金属以进行改性。不久，该材料的放电速度就已经相当高了。2002年年中，他飞到加州蒙特里市（Monterey）参加一个会议并将他的发现做了报告。其时，一位研究生仍在麻省理工学院继续试验。在蒋要发言之前，该材料的放电速度已达到他将要宣布的4倍。他说：“到这个时候，我们明白我们已经得到了一些特别有意义的东西。” {zh1}，蒋说明该新材料释放阵发电能的速率可以达到传统的锂离子电池的10倍。他详细研究了这种高性能材料后确定，这种高性能取决于所用颗粒的大小（小于100纳米）以及添加的微量金属。他说，这两个因素的综合，使原子在材料放电或充电时重新排列的方式发生了根本的改变。 对于所有的锂离子电池来说，电流的产生都是通过锂离子在两电极之间穿梭，而电子则在一个外部电路中运动。蒋对于锂铁磷酸盐的早期试验表明，当锂离子进出电极时，含有锂的那部分材料会与不含锂的那部分分开。这样就会使材料的晶体结构发生变化，性能就会恶化。但蒋发现，当锂铁磷酸盐的颗粒非常小，而且电极通过加入其它金属（或“掺杂”）而发生变性的时候，材料晶体结构发生的变化就会小得多。于是，锂离子就可以较快进出电极而不会导致材料性能的恶化。总之，蒋发现，改性后的材料充电和放电的速度比普通的锂铁磷酸盐快，而且寿命也更长。 虽然新的电池材料看起来非同寻常，但蒋很快了解到，它对便携电子产品而言并非理想。对于这种重量轻、体积小、可以提供大的阵发能量的电池来说，当时看来并无成形的市场。它自然适用于油电混合驱动的车辆，但后者不过刚在市场上出现。但蒋不知道，当时一家大的电动工具公司正在悄悄地研究新一代的无绳电动工具，正为找不到适合其需要的电池着急呢。 强有力的启动 2003年，Black and Decker公司的代表与富洛普和A123 Systems的首席执行官戴夫•维欧（Dave Vieau）会面，告诉他们，Black and Decker公司想制造一种无绳电动工具，其性能要优于有绳的电动工具。A123 Systems 的材料看来正符合要求。以短的阵发的方式，它可提供高于市电的功率。而且它还有其它特别适合建筑工地的优良性能。它还可以很快充电（12分钟或更短时间内，充电量可达80%）。比起锂钴氧化物的电池来，它可在恶劣环境中工作而不会着火。 这些，至少，在理论上是如此。当富洛普和维欧首次与 Black and Decker
的代表见面时，他们手里仅有一个电池的模型，0.5克重材料，和为报告准备的 PowerPoint 幻灯片。Black and
Decker公司要的是能生产几百万块电池的公司。蒋说：“我们过去将重点放在材料上面，但我们得学会设计制造完整的电池。 为汽车充电 与此同时，由于丰田正开始主导油电混合驱动车的市场，通用汽车公司要重新考虑公司的技术战略。混合驱动车依靠汽油发动机提供大部分所需能量，仅在部分时间使用电池。通用汽车公司决定开发一种顾客可以在其日常行驶中xx不用汽油的汽车。要完成此事，汽车制造商需要可靠的高性能电池。于是，公司来找A123 Systems。 通用汽车公司储能系统部主管丹尼丝•格雷（Denise Gray）说，通用汽车公司明白，它要用的是锂离子电池，因为这种电池具有所需的电能储量。但它也明白，以目前的技术水平，锂离子电池还不能胜任这项工作。虽然笔记本电脑所用的锂离子电池可以经过500次xx的充放电循环而仍保持其储能功能，但汽车的用户并不会愿意每18个月买一块新电池。A123 Systems公司预测，他们所生产的新型电池即使每天充放电，也至少可用15年。A123 Systems 的电池不但比其它锂离子电池更为安全，而且可以在更低的温度下工作。格雷指出，这就使人们容易地将几百块电池组装成为一块大电池。 A123 Systems开发的用于电动车的电池是圆柱形的，但其为Volt汽车所开发的电池是平板形的，这是为了节省空间，同时也为了更为有效地散热。电池单元组装成完整的电池后呈Ｔ形，差不多有两米长。今年春天，该电池将装进作路面试验的汽车样机。今年稍后一些时候，A123 Systems准备扩大生产以满足预定的需求。由A123 Systems的技术所驱动的{dy}批汽车将在2010年驶下装配线。（通用汽车公司也在对另一家公司生产的电池进行试验，以{zh1}决定选用哪家的电池，或两者都用。） 如果Volt汽车受到欢迎，电动汽车最终将开始投放市场――这会减少温室气体的排放和汽油的消费。由电能研究所和自然资源保护委员会开展的一项{zx1}研究表明，在2010年到2050年之间，类似通用汽车公司那样的电动车辆将会减少数十亿吨温室气体的排放。一项通用电气公司的研究则表明，到2030年，路面上跑的一半车辆将是电动的，美国的汽油消费将每天减少600万桶。 A123 Systems开发的这类电池引起的反响将远远超出 Volt汽车的范围。即使以内燃机为发动机的汽车，其设计也会改变，会更多地依赖于电能：最简单的例子是车内配有由增强的交流发动机来充电的专用电池，它们允许驾驶员在汽车遇到红灯后将发动机关闭，而一踩油门马上就可以起动。对于传统的油电混合动力车，A123 Systems的电池能提供与镍氢电池一样多的电能，但只有其五分之一的重量。插电型混合动力车接上标准插座就能充电，新的电池也会给它带来好处。事实上，A123 Systems的电池将装备在插电型土星SUV（混合运动型多用途车）中，后者将在2010年上市。 未来的汽车，不管它是如何设计的，都将在更大程度上依赖于电能。蒋说：“我们还未上场。现在路上到处跑的并不是Volt汽车。至于新电池会对石油供应和温室气体产生深远影响的潜力，我原来并未想到可以做到这些。开始研究的时候肯定没有想到。” 本文作者凯文•布利斯（Kevin Bullis）是本刊纳米技术和材料科学编辑。 |
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