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鋰電池的“紅與黑”

更新時間：2022-07-28 13:50   來源：鈦媒體APP   瀏覽次數(shù)：54386 | 文字大小：大 中 小

　　雖然關(guān)于電池爆炸、電池起火等相關(guān)的新聞不斷，但無論是學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界甚至是資本市場，都對鋰電池報以極大的期待。以A股市場為例，去年甚至盛行“有鋰走遍天下”的說法，上市公司只要有鋰（鋰礦或鋰電池）概念，股價便一飛沖天，足以證明其熱度。

　　在眾多新能源形式中，鋰電池是如何成為新能源車的主要技術(shù)路線的？在一眾電池中，鋰電池又是如何脫穎而出的？未來，鋰電池有是否能夠如馬斯克所言成為“新石油”呢？

　　100多年前的電動車，為何沒能普及？

　　在18世紀(jì)工業(yè)革命之后，蒸汽機的發(fā)明推動了機器的發(fā)展，交通工具自然隨之而變革。人們寄希望于能夠找到一種合適的機器取代昂貴的馬車，惠及到普通民眾。

　　如今燃油車遍及全球，電動、氫能等新能源車成為取代傳統(tǒng)燃油車的新趨勢。但鮮有人知，在汽車發(fā)明之初，卻是以電池為動力的。1881年，法國科學(xué)家通過改進電池設(shè)計，組裝了第一臺以鉛酸電池為動力的三輪馬車。在隨后的很多年內(nèi)，汽車的改良都圍繞著如何使電池可循環(huán)充電、續(xù)航里程更長、安全性更好等方面來展開。

　　隨著電動車性能的提升，短途之內(nèi)已經(jīng)逐漸取代馬車。但鉛酸電池體積大、質(zhì)量大、能量密度小（指單位體積所能儲存能量的數(shù)值）、功率密度低（指電池輸出的功率與其重量之比），這些缺陷使電動車?yán)m(xù)航里程僅在50km左右，滿足日常代步需求尚可，但如果想要滿足200km以上的長途需求，則至少需要1噸左右的鉛酸電池，這顯然并不現(xiàn)實。

　　為了改良電池技術(shù)，無論是學(xué)界還是產(chǎn)業(yè)界都開始了大規(guī)模的探索。其主要思路便是順著元素周期表，對各種金屬作為電池的正極材料進行試驗。如果單從續(xù)航里程的角度來看，這種探索是成功的。像20世紀(jì)初期愛迪生發(fā)明的鎳鐵電池（也叫愛迪生電池）、鎳鎘電池等，都在能量密度和功率密度上取得了一定突破。這些新型的蓄電池也同樣被各國嘗試應(yīng)用于電動車上，例如兩德統(tǒng)一之前的西德就曾在20世紀(jì)的末期大力的發(fā)展鎳鐵電池電動車，美國、蘇聯(lián)、瑞士、日本等國也同樣如此，嘗試各種技術(shù)改良鎳鐵電池的耐用性。當(dāng)然，中國也并未落后，當(dāng)時的知名企業(yè)四川長虹也曾開發(fā)出了新型的鎳鐵電池，用于各種應(yīng)急控制、開關(guān)控制等用途。

　　如果沒有燃油車出現(xiàn)的沖擊，電動車很可能會隨著各國對于電池改良技術(shù)的探索，提前的大規(guī)模普及。但在當(dāng)時，各種電池的技術(shù)路線都無法滿足電動車的大規(guī)模普及，如鉛酸電池雖然便宜實惠，但功率密度低；鎳鐵電池能量密度小，相比于鉛酸電池價格更高；鎳鎘電池則成本過高。總之，受限于各種技術(shù)條件，當(dāng)時只有鉛酸電池在電動車上有比較廣泛的應(yīng)用，鎳鐵電池在其它領(lǐng)域也有較為重要的應(yīng)用。

　　更重要的是，內(nèi)燃機的出現(xiàn)可能在一定程度上改變了動力電池技術(shù)進步的速度。特別是福特發(fā)明的T型車以及流水線生產(chǎn)帶來的汽車普及，都使得石油作為一種能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出電池的能源，快速的使得燃油車成為了汽車的主流。汽車進入了內(nèi)燃機時代，石油則成為了全球最主要的能源之一。

　　在此后長達(dá)半個多世紀(jì)中，動力電池的技術(shù)進步基本進入了停滯狀態(tài)。但世界進入石油時代，問題同樣頻現(xiàn)。一方面是能源安全問題，三次石油危機讓各國都意識到了能源安全的重要性，再加上軍事、航空、醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男碌囊螅虼硕贾滞度氪罅抠Y源研究開發(fā)新能源和電池技術(shù)。另一方是是汽車尾氣帶來的污染問題，像很多國家或地區(qū)都出現(xiàn)過的霧霾，汽車尾氣是重要的“元兇”之一。

　　在電池技術(shù)停滯半個多世紀(jì)后，隨著能源安全和對清潔能源的需求，各國不遺余力的進行實驗和探索。而鋰電池因為其性能的優(yōu)越性，成為了全球開啟清潔電力時代最有力的探索成果。

　　鋰電池為何“獨領(lǐng)風(fēng)騷”？

　　以鋰電池的出現(xiàn)為標(biāo)志，電動車的發(fā)展進入了“鋰電時代”。在前鋰電時代，電動車的探索在鉛酸電池、鎳鐵電池、鎳鎘電池等電池技術(shù)上取得了一定的成功，像歐洲等國家甚至在很多城市推廣試運營過電動車，部分政府部門也通過政府采購對這些電動車給予了很大的支持。但正如前文所述，無論是經(jīng)濟性，還是電動車的實用性，電動車都很難和燃油車相提并論，商業(yè)上的不可持續(xù)性，極大的限制了電動車的推廣。

　　其實如果回顧電池的發(fā)展史，大概就是一個“試試各種金屬能不能造電池”的歷史，這也是為何前文提到?jīng)]有內(nèi)燃機的沖擊，電池技術(shù)會發(fā)展更快，電動車可能也會更早的普及，因為對于各種金屬的嘗試性應(yīng)用，大概率會逐漸誕生更加適合汽車的電池技術(shù)。而對于鋰這種金屬，是元素周期表中排名最前面的元素，也就意味著其化學(xué)活性是最高的，這種金屬早期是需要密封保存在隔絕空氣的石蠟中的。元素特性使鋰電池有著很多特有的優(yōu)勢，從理論上來說，鋰電池體系能獲得最大的能量密度。

　　但是，鋰過高的活性，也是制約鋰電池發(fā)展最重要的問題。這也是為何電池技術(shù)早期并未過渡到鋰電池的原因之一。像早期的鉛酸、鎳鐵、鎳鉻等電池中的正極材料，也基本都是金屬活性沒那么強的元素。

　　早期對于鋰電池的研究都無法突破鋰過于活躍而導(dǎo)致的電池安全性問題。這些研究有的停滯于電解液被點燃，有的則是無法實現(xiàn)多次的循環(huán)充放電。特別是1989年春末加拿大Moli公司的第一代Li||MoS2電池產(chǎn)品發(fā)生了爆炸事件后，這款在當(dāng)時真正具有商業(yè)化意義的電池所引起的恐慌，使得之后的一段時間，鋰電池都消失在了大眾的視野。

　　不過技術(shù)的推動下，通過對負(fù)極材料、電解液等材料的嘗試，鋰電池在1991年首次商業(yè)化。1991年索尼根據(jù)“鋰電之父”Goodenough等人的研究成果，以鈷酸鋰為原材料，成功推出了第一款商業(yè)鋰離子電池，這種鈷酸鋰電池成為第一代的現(xiàn)代鋰電池，廣泛的應(yīng)用于3C電子產(chǎn)品領(lǐng)域。此后，鋰離子電池的發(fā)展進入了快車道，第二代的磷酸鐵鋰、錳酸鋰，第三代的三元鋰作為正極，軟碳、硬碳乃至硅碳作為負(fù)極，以及各種鋰離子的變種層出不窮，性能不斷攀升。

　　與其它的電池路線相比，鋰電池的安全性雖然不是最出色的，但在功率密度、循環(huán)壽命、能量密度等對于汽車動力電池重要的指標(biāo)方面，有全方位的優(yōu)勢，雖然能量密度仍然無法和汽油、柴油相比，但作為汽車的動力源，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越與其它的幻雪電池技術(shù)路線，也因此成為在業(yè)界最重要的探索方向。

　　總而言之，鋰電池作為汽車的動力源，雖然仍然比不上燃油，但在使用零排放、技術(shù)進步前景、規(guī)模化應(yīng)用成本下降的背景下，逐漸被汽車廠接受。

　　鋰電池商業(yè)化后，1992年，日產(chǎn)開始研發(fā)電動汽車。1997年日產(chǎn)制造出汽車世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的電動車Prairie Joy EV，最高時速120公里/小時，每次充電行駛里程超過200公里，成為真正意義上的電動汽車。

　　自此，鋰離子電池汽車正式登上舞臺，并開始吸引全球各國巨頭的關(guān)注。包括傳統(tǒng)的韓國化工巨頭LG化學(xué)、日本松下、韓國的三星SDI，以及中國的比亞迪、寧德時代、遠(yuǎn)景動力等一眾新企業(yè)，都對于鋰電池投入了巨額的研發(fā)，目前也是全球鋰電池出貨量最多的幾家企業(yè)。

　　而在鋰電池的下游，隨著特斯拉率先以純電動車商業(yè)化為目標(biāo)，鋰電池也從一般的標(biāo)準(zhǔn)向“車規(guī)級”（即符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的）進化，車用鋰電廠也隨之大規(guī)模出現(xiàn)。

　　憑借著高能量密度、高功率密度等多方面的優(yōu)勢，鋰電池在短短的十幾年的時間里徹底占領(lǐng)了消費電子市場，并擴展到了電動汽車領(lǐng)域。以當(dāng)下電池技術(shù)路線的發(fā)展來看，鋰電是當(dāng)之無愧的“王者”，馬斯克甚至將其稱之為未來的“新石油”。拋開馬斯克力挺鋰電池代表了其自身的利益之外，如今新興的鈉離子電池、全釩液流、鉛炭電池等技術(shù)，無論是技術(shù)成熟度還是商業(yè)性，都差鋰電池較遠(yuǎn)。

　　當(dāng)然，技術(shù)的進步永遠(yuǎn)沒有止境，鋰電池當(dāng)前被全球看好，并被視作為未來的“新石油”，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是終點。僅從電池的能量來源來看，當(dāng)前如氫能等燃料電池亦是另外一種前景廣闊的技術(shù)路線，而對于化學(xué)電池而言，也同樣有鈉離子電池等新興技術(shù)的登場。所以，也許在不久之后，我們能夠用到更安全、更具性價比也更方便的新能源車。