1925年,一位名叫丰田佐吉(Toyoda Sakichi)的日本人来到当时的日本帝国发明创新院,拿出100万日元作为悬赏,条件是开发出他指定的一种电池。
100万日元即便在今天也非小数目。这笔钱相当于现在100亿日元,折合人民币约5亿元。
要获得这5亿元巨额悬赏,丰田佐吉的要求是什么?他要求的电池具体参数如下:
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功率:100马力(约73.5千瓦)
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满充续航时间:36小时
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重量:225公斤
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体积:0.28立方米
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具有大规模制备、商业化应用的可能性
粗略计算一下,「佐吉电池」的能量密度高达~10000 Wh/kg或~10000 Wh/L。要知道,这些数字决非仅基于电极的活性物质重量或体积,而是需考虑整个电池的重量或体积。
不要说八十多年前了,就算在电池技术突飞猛进的当下,这样的电池都还没有实现。
那现在的水平在哪?抛开实验室中各种性能“逆天”但规模极小的电极材料不谈,单说大规模生产的电池性能。
采用钴酸锂正极、石墨负极的传统锂离子电池能量密度大约800 Wh/L;即便将石墨负极换成能量密度极高的锂金属,电池整体的能量密度也只提升到1100 Wh/L上下。
距离「佐吉电池」的目标,我们差距至少还有一个数量级。
这还仅仅是从能量密度方面考虑,没有涉及续航时间的要求。
插叙一下。可能有读者已经根据丰田佐吉这个名字猜到,他就是日本丰田汽车公司创始人。
这位丰田的创始人为何会在八十多年前提出如此疯狂的电池悬赏呢?
幼时起,丰田佐吉就常常思考如何为资源匮乏的日本做些贡献。
比如针对土地狭小的问题,佐吉就设想过在大海中建造岛屿(人造岛屿)。
他认为,当时日本工业的主要能源——煤,是不可持续的。而要解决能源卡脖子问题,需要从开源和节流两方面入手。
节流的关键之一是降低工业生产所用机器的能耗。而节能的“极致”——既不耗费能量又能永久输出做功的永动机——成为丰田佐吉的青睐对象。
然而,早在17世纪,永动机就因违背了热力学定律而被判了“死刑”。
但是,大多数永动机的圆周运动特点还是为丰田佐吉的日后发明提供了灵感。
20世纪初,日本使用的织布机在运行时需要织梭左右往返运动。往返时梭子被撞击,不仅噪音大,易损坏设备,能耗也高。
丰田佐吉利用圆周运动,将左右往返运动的织梭改为绕圈的圆周运动方式,避免了撞击,从而节省了能量。
1906年,圆织机被申请了专利。丰田佐吉发明的「无停止换梭式丰田自动织机(G型)」(简称圆织机)为公司大赚了一笔。
(丰田佐吉发明的圆织机。图源:丰田产业技术纪念馆)
1924年5月,美国陆军航空队的一架道格拉斯飞机降落在上海霞浦机场。
这架飞机当时正完成一次环球飞行。这段航程从美国阿留申群岛出发,飞往印度,经停上海。
当时在上海的丰田佐吉,兴冲冲地跑去目睹了这架已经飞越了太平洋的飞机。
飞越太平洋,对于今天的飞机不过是半天之内的事情,但对于上世纪20年代的世界,可是一则爆炸新闻。丰田佐吉被当时美国先进的科技震惊了。
震惊之余,他的倔劲也上来了。丰田佐吉决心不惜一切代价要用日本的手来超越美国人,让西方人高看日本。
为实现这一目标,丰田佐吉需要解决的问题是利用何种能源为飞机供能,使其能飞越太平洋。
对于资源匮乏的日本,大量煤炭尚需进口,因而燃料不能用煤炭。
丰田佐吉的想法是,用一种高能电池来贮存水电,然后将这种电池装到飞机上供其飞行。
了解了「佐吉电池」的产生背景,其“疯狂”的性能指标便看起来合理了。
因为梦想中的「佐吉电池」可不是给手机、笔记本电脑这些小型电子产品使用的,也不是电动汽车,况且那时候也没有这些东西。
而且,这款电池还要维持电动飞机飞越太平洋,对电池性能要求的苛刻程度之高可想而知。
这样的梦想电池,丰田佐吉自己做不了,他寻找了外部的帮助。
于是发生了本文开头的一幕:丰田佐吉找到创新院,提出谁要是造出他的「佐吉电池」,就能拿到100万日元的奖励。
创新院估计也被这位狂人怔住了,他们表示需要寻求相关学术结构审核提案,先看看其可行性。
不出所料,创新院得到的审核意见是“这样的发明具有划时代的意义,但不会有人能获得这笔悬赏”。
这话说得已经很客气了。言外之意,「佐吉电池」?白日梦。
1925年10月15日,他们签署了合同,规定此后5年间,每年拿出10万日元奖励那些实现「佐吉电池」迈出关键步的研究。倘若实现「佐吉电池」的时机成熟,则再将奖金提高到100万日元。
不过,丰田佐吉悬赏一经公布,还是引发了日本全国范围的电池研究竞争。
可是,竞赛刚开始不久,丰田佐吉这边就听得消息,称俄罗斯和美国爱迪生研究所已成功开发出高性能的小型储能装置。这种储能装置其实就是蓄电池,现在油车里的电池仍是这类电池。
为了不甘人后,丰田佐吉与创新院于1925年11月4日签订了修订条款,明确鼓励日本的蓄电池研发。
从历年获奖记录来看,获得佐吉赏金的电池研究绝大部分都与蓄电池(碱性、铅酸皆有)相关。
可能觉得做裁判不过瘾,帝国发明创新院于1926年自己设立了一个实验室,专门用于研发「佐吉电池」。
(帝国发明创新院设立的研究院,致力于「佐吉电池」的研发。图源:丰田产业技术纪念馆)
然而该实验室在1945年5月的一次空袭中被大火完全摧毁。研究所的设施和成立以来的重要文件全被付之一炬。
研究室被毁后,经与丰田佐吉后人商讨,创新院将剩余的悬赏金用于继续资助发明创造。
「佐吉电池」宛若天空中的一颗明亮的星,很遥远,却有不少来自世界各地的“追星人”。
(「佐吉电池」的能量和功率甚至高于内燃机。电池研发任重道远。图源:Elsevier)
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