上遊原材料短缺的問題，已經成為制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——碳酸锂的價格上漲了超過 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。在最近的财報電話會議，特斯拉 CEO 馬斯克呼籲：加大對锂礦開采的投資，以填補由于電動汽車的普及而造成的巨大供需缺口。
他表示，電池生産，更确切地說，锂是全球電動汽車普及的「根本限制因素」。「我們認為，我們需要在這方面幫助這個行業。實際上，目前锂業的利潤率幾乎等同于軟體行業。」
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
應對當下的困境，行業一方面加快上遊原材料的開采節奏，另一方面也在大力研發下一代的電池。锂硫電池被認為是潛在的候選之一。最近，德國初創公司 Theion 交出了他們的「答卷」，推出了應用場景多元的水晶電池，并開始推進商業化落地。
01什麼是水晶電池？
Theion 的水晶電池屬于锂硫電池的一種。它是以硫元素作為電池正極，金屬锂作為負極的一種锂電池。锂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，一直受到科學家們的廣泛關注。
當然，任何一枚硬币都有兩面。锂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、存在着穿梭效應，以及陽極會有锂枝晶生成等，這些瓶頸問題一直影響着锂硫電池的商業化。
硫熔化形成晶體
為了解決這些問題，Theion 首席執行官 Ulrich Ehmes 博士告訴「極客公園」，他們在兩個方面做了突破：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，他們研制了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 的第一代技術已經将锂硫電池的能量密度做到了 500Wh/kg，他們的目标是在 2023 年，把第二代技術将锂硫電池的能量密度提高到 700Wh/kg；在 2024 年，第三代技術将锂硫電池的能量密度提高到 1000Wh/kg。
這已經遠高于目前主流電池的水準。目前動力電池主要有兩條技術路線：三元锂電池和磷酸鐵锂電池，它們的能量密度分别在 250Wh/kg 和 160Wh/kg 左右。更重要的是，锂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，目前主流的锂離子電池，主要是由五種材料（鎳、钴、錳、锂和石墨）加工而成。除了石墨，其他四種原材料價格大幅上漲，也增加了電池的生産成本。相比之下，硫成本與 NMC811（電池正極材料鎳钴錳比例為 8:1:1）相比，節省了 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%，也就意味着整體成本下降了大約1/3；同時，通過新生産工藝，水晶電池可以節省 90% 能源。
除了能量密度和成本，循環次數也是衡量電池性能的重要名額。目前，水晶電池能達到 500 次左右的循環次數，低于目前三元锂電池（1000 次到 2000 次）和磷酸鐵锂電池（3000 次左右）。不過，Ehmes 博士表示，他們接下來會持續更新和疊代産品，提升水晶電池的循環次數。
其實，锂硫電池并非什麼新鮮事物，對它的研究從上世紀 70 年代就已經開始。目前，歐美等國家的锂硫電池研究是以産業主導。
英國的 Oxis 能源公司，此前成功測試了一款能量密度達到 471Wh/kg 的電池電芯樣品，并與部分歐洲車企簽訂了采購合同；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，該公司就曾把锂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，中國的锂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甯教授課題組，通過調控氧空位來促進氧化铟在锂硫電池中的催化活性；中科院大連化物所研制的能量型锂硫電池比能量從 520Wh/kg 逐漸提升到 609Wh/kg，重新整理了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出的锂硫電池，在進行 1500 次循環試驗後，仍然維持了 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，也在锂硫電池技術研發上形成了一定的技術儲備。
02加速商業化
雖然相比锂離子電池，锂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 電池專家團隊
Theion 雖然隻是一家初創企業，但他們已經開始着手讓水晶電池走出實驗室，加速商業化。據了解，Theion 總部位于柏林，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 目前還處于初期，需要的是最傑出、最優秀的人才，現階段還不需要一個超大的團隊。随着項目的不斷推進，團隊會不斷擴大。
根據 Theion 公司的規劃，他們的水晶電池将在 2022 年底，對第一批使用者提供産品内測。目前，他們正跟歐洲的航天公司溝通合作的事情，因為「他們需要特别輕的元件」。2023 年，Theion 将開始向航空、移動和可穿戴裝置等領域提供水晶電池；并在 2024 年則擴充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，可以實作充電一次續航裡程超過 1000 公裡，快速充電小于 10 分鐘。這樣的資料，優于目前主流新能源汽車電池的性能水準。
之是以采取這樣的政策，或許跟 Theion 主要投資者 Team Global 有關。據了解，Team Global 是一家歐洲技術控股公司，專注投資和創辦前沿科技公司。此前，Team Global 已經投資了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 博士表示，中國是全球重要的移動裝置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。目前，他們的目标是将水晶電池的應用推廣至歐洲的航空航天領域。接着，他們将考慮進入中國市場，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疊代，從鉛酸電池到鎳氫電池，再到今天的锂電池、锂硫電池，都各有優缺點。相比之下，三元锂電池能量密度大，但安全穩定性仍存短闆；磷酸鐵锂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、續航裡程長，但成本偏高；锂硫電池成本效益較高，能否在衆多電池中脫穎而出，令人期待。
Ehmes 博士表示，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，都提出了各自的方案，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，他也表示，在商業化的過程中，電池行業的突破點，在于供應鍊。目前，新能源汽車就受困于這一點，因為原材料價格上漲影響到制造成本，最終傳導到了消費端。未來的電池行業，供應鍊要更加平穩，價格波動更小，這是 Theion 未來努力的方向。