最近在了解新能源汽車的相關(guān)知識，因為我的第一輛車斯柯達已經(jīng)用了10年了，正在考慮要不要換。當時花了十五六萬，這個價位放到現(xiàn)在，已經(jīng)可以拿到配置和性能很不錯的國產(chǎn)新能源品牌了。之所以考慮電車，主要是上次親自體驗了一把電車加速的推背感和內(nèi)飾，深刻感覺：這才是未來??！
 

新能源汽車，最核心的當然就是電池，更準確的說，是鋰離子電池?，F(xiàn)在電動汽車廠商，主要的技術(shù)方向，就是發(fā)展續(xù)航更大、更安全的動力電池。因為電池可是占到了電動車成本的40%，是利潤最高的部分。有一個觀察：現(xiàn)在不管是民用還是軍用，凡是用到電池的產(chǎn)品，無論是電動汽車的磷酸鐵鋰、三元鐵鋰電池；手機、平板的鈷酸鋰電池，還是先進常規(guī)潛艇的蓄電池，全是用的鋰離子電池。

可以說正是安全、可靠的商用鋰離子電池的出現(xiàn)，才實現(xiàn)了電子設備的便攜化，開啟了如今的消費電子、移動通信和新能源汽車產(chǎn)業(yè)，奠定了打造無線互聯(lián)社會的基礎。反正，只要看看你日常生活所接觸的電子產(chǎn)品，無一例外，命都是鋰離子電池給的。不然你現(xiàn)在刷手機，不是抱塊板磚就是在玩炸藥包。

因為最近在看新能源汽車，所以詳細了解了一下鋰離子電池的發(fā)展史，也請教了身邊從事相關(guān)工作的朋友，覺得非常有意思：從基礎科學角度來說，鋰離子電池的發(fā)展其實就是人類如何馴服“鋰”——這個自然界最活潑的金屬元素之一的過程，從中可以體會到科學探索的樂趣，深刻明白科技進步才是社會發(fā)展的根本動力。所以這次就從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個角度說說鋰電池。

我們高中時就學過，世間萬物都是由元素構(gòu)成的。目前人類確認發(fā)現(xiàn)的元素總共有118種，包括20多種人造元素。我們的大千世界，不過是由不到100種元素構(gòu)成的。那么這些千奇百怪的元素都是怎么來的呢？一切當然還得從宇宙大爆炸說起：137億年前的宇宙大爆炸形成了物質(zhì)、能量和時空，包括質(zhì)子在內(nèi)的各種粒子出現(xiàn)。

當宇宙形成約38億年后，第一個質(zhì)子捕獲了一個電子，天字第一號元素——氫誕生。在引力作用下，氫原子不斷聚合在一起形成恒星，并在內(nèi)部上億度高溫高壓環(huán)境下發(fā)生聚變反應：4個氫原子聚合成一個氦原子、氦聚變成鋰、鋰聚變成鈹、鈹聚變成硼，以及之后原子序數(shù)更高的元素，一直聚變到鐵。太陽每秒消耗6億噸氫，聚變成5.96億噸氦，這個過程中的質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化成能量，以光和熱形式釋放。其中的400億分之一被地球接收，開啟了萬物演化的史詩進程。

但需要注意的是：恒星聚變不會形成鐵以后的元素，鐵（原子）核是最穩(wěn)定的，是構(gòu)成行星的內(nèi)核。鐵往后的元素，聚變需要吸收能量，只有超新星爆發(fā)才能產(chǎn)生，瞬間聚變出包括鐵以后的所有重元素，然后拋灑到宇宙中。因此鐵核聚變也被稱為“恒星殺手”，恒星一旦鐵了心想死，攔都攔不住，是真鐵了心！

而這94種元素就構(gòu)成了宇宙萬物、大千世界，這些就是物理學最基礎，也是最根本的研究對象；物質(zhì)、能量，進而構(gòu)成了原子和分子，研究原子、分子運動和相互關(guān)系的就是化學。有機大分子又組成了蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是形成生命的物質(zhì)基礎，這有了生物學。人類誕生后創(chuàng)造了文明，進而發(fā)展出了歷史、政治、經(jīng)濟、哲學、文學、藝術(shù)等人文學科。

所以人類的知識體系，并不是獨立割裂存在的，互相之間存在嚴密的邏輯關(guān)聯(lián)和嚴格的先后順序。而在所有學科之上，研究萬物之理的物理學是一切的基礎，應用科學的發(fā)展水平歸根到底要取決于基礎物理研究。

這一點，看過《三體》的觀眾應該深刻明白：三體人能操控十一維中的九維，利用強相互作用材料制造出絕對光滑的水滴，無傷團滅人類3000艘恒星級戰(zhàn)艦，毀滅你與你何干！這里說下四種基本作用力：強力、弱力、電磁力、引力。強力就是原子核內(nèi)部，克服質(zhì)子之間的強大斥力，緊密結(jié)合為原子核。用這種材料打造出的水滴是宇宙中最堅硬的物質(zhì)；弱力使元素發(fā)生衰變；電磁力就是帶電粒子的相互作用；引力就不用多說了。

目前，我們?nèi)祟愓莆盏哪芰块_發(fā)形式，大部分都只是電磁力的框架內(nèi)。具體而言：一是化石燃料燃燒，通過熱機轉(zhuǎn)換的機械能，再轉(zhuǎn)換為電能（發(fā)電）。另一種是利用電子從還原劑（負極）向氧化劑（正極）轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的電能，也就是電池。這兩者在化學層面都是氧化還原反應，區(qū)別在于只是前者劇烈不可控，后者可控，所以電池放電可以理解成一種“緩慢可控的燃燒”，而在物理層面都只不過是利用核外電子排列組合變動，所釋放的“邊緣能量”。

而基于其他三種作用力的能量開發(fā)：引力，大概只有引力彈弓和水力發(fā)電；弱力是核電池。最有希望的應該是強力：在飛米的尺度上，克服原子核內(nèi)的庫侖斥力，發(fā)生核聚變。不可控的是氫彈，另一種就是“永遠50年”的可控核聚變。所以人類把一種物質(zhì)發(fā)揮到極限的方法，就是引爆它。而馴服它的過程，就是在可控的情況下，把能量釋放出來。

好啦，說了這么一大堆，就是為了從基礎物理的角度讓大家明白，目前我們所掌握的能量形式還很有限，人類不過是生活在一顆小星球上的高級靈長類，通過燒開水獲得能量，大規(guī)模應用的也就化石燃料和電能。

電的發(fā)現(xiàn)其實很早，微觀層面就是表現(xiàn)為：電子從一個高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)，釋放能量從而產(chǎn)生電能。電的特點是好用不好存，我們?nèi)粘Ｓ秒姡瑤缀醵际乾F(xiàn)發(fā)現(xiàn)用，在發(fā)電站發(fā)電，幾百公里遠距離高壓輸電，不僅麻煩而且耗損巨大。

如何把電能更方便地保存起來，移動使用，一直是個大難題。所以，如果能在電能的儲存上取得突破，不說是一場能源革命吧，但至少也是個重大技術(shù)進步。我覺得可以類比人類的武器從青銅進化到鋼鐵，但如果要出現(xiàn)類似冷兵器到熱兵器的革命性進步，應該只有可控核聚變了。而目前最有希望讓人類在電的存儲上，取得階段性進展的就是鋰離子電池。

電池的故事還得從一只倒霉的青蛙說起：1786年，意大利醫(yī)生伽伐尼捕獲了一只離家出走的旅行青蛙，對其進行解剖。他發(fā)現(xiàn)當手術(shù)刀的刀尖碰到蛙腿上外露的神經(jīng)時，蛙腿會劇烈痙攣，由此發(fā)現(xiàn)了生物電。

但這并不是重點，關(guān)鍵的是，此后圍繞相關(guān)現(xiàn)象的研究，讓電池原理得以被發(fā)現(xiàn)。1800年，物理學家伏特受青蛙實驗啟發(fā)，把金屬鋅板和銅板疊在一起，中間夾上多層鹽水浸泡過的布片，經(jīng)過反復多層疊加，產(chǎn)生了明顯電流，由此發(fā)明了世界上第一種電池——伏打電池。

▲伏打電池
 

這種電池的原理就是利用不同活性金屬，發(fā)生氧化還原反應時產(chǎn)生的電子流動：活性更高的鋅在電解液中失去電子，發(fā)生氧化反應，成為負極，較穩(wěn)定的銅，幾乎不會分解，成為正極。當兩者被導體連接時，電子通過外部電路從鋅流向銅，形成回路產(chǎn)生電流。

從此，人類對電的認識，就是不再只是摩擦皮毛的靜電、雨中的雷電和生物電，而是能控制流動的電。伏特由于他開創(chuàng)性的工作，奠定了現(xiàn)代化學電池的結(jié)構(gòu)基礎，并且提出了電位差理論，就是有電壓就會有電流，所以電壓單位就以他的名字命名了。

但伏打電池工作時會產(chǎn)生氫氣，1836年，英國科學家丹尼爾進行改良，發(fā)明了更優(yōu)異的鋅銅蓄電池：負極的鋅放在硫酸鋅溶液中，正極的銅放在硫酸銅溶液中，并在兩者中間加入鹽橋。這個電池的原理，大家高中化學應該都學過吧，負極發(fā)生氧化反應，失去電子，通過外部電路進入硫酸銅溶液，與其中的銅離子發(fā)生還原反應產(chǎn)生金屬銅，正極重量增加。

此后化學電池的發(fā)展，其實就是用不同活性的金屬和金屬化合物，把正負極材料替換迭代。1850年，鉛酸電池被發(fā)明，負極為鉛，正極為鉛氧化物，以硫酸為電解質(zhì)。

這種電池結(jié)構(gòu)簡單，而且能夠充電循環(huán)。這里說下充電和短路的原理：電池本質(zhì)上是利用化學反應產(chǎn)生能量，遵循能量守恒定律，接入外部用電器消耗了就能實現(xiàn)平衡。如果沒有用電器，直接回路導通，能量將無處可去，瞬間變成熱能（多看一眼就會爆炸）。一旦內(nèi)部的化學能量消耗完畢，電池就沒電了，充電就是通入外部電流將移動到正極的電子重新歸位，循環(huán)使用。

鉛酸電池之后，人類又發(fā)明了鎳鎘電池，就是你們小時候玩四驅(qū)車用的充電電池。但由于化學特性，如果沒把電用完就充電，會發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，電池會“記憶”了“最低電量”，導致下次充滿電量縮小，小時候家里長輩應該都告訴過你吧。而且鎘是重金屬，會造成環(huán)境污染，所以現(xiàn)在基本被淘汰了。此外還有堿性電池，因使用堿性電解液而得名，就是平時最常見的那種一次性電池（南孚）。

而在這些電池種類中，還是鉛酸電池因為成本低、安全性好，又能充電，在被發(fā)明后的100多年內(nèi)，成為人類使用最廣泛的儲能電池。車載蓄電池、常規(guī)潛艇、坦克、電瓶車，都曾經(jīng)采用鉛酸電池。但是，它太重了，59坦克用的鉛酸蓄電池，四塊，每塊40公斤，坦克兵三大苦，除了拉履帶，擦炮膛，最恐怖就是拖電瓶，四個人要把總共320斤的蓄電池從電瓶間弄到幾百米外的車上，那個酸爽就別提了。

我十多年前騎的老式電瓶車，用的也是鉛酸蓄電池，隔一兩天就要提著30多公斤的電池，吭哧吭哧爬到三樓充電，被迫健身。

那相信這里你也看出鉛酸電池的缺點了：體積重量大，能量密度低，充電次數(shù)有限。但人類對能量的追求是永無止境的！既然電池的原理就是利用活性金屬發(fā)生氧化反應失去電子，那只要找到更活潑的金屬，不就能造出能量更大的電池了嘛。

元素的金屬活潑性表現(xiàn)為失電子的能力，由于原子的核外電子排布是由內(nèi)而外，充滿一層達到穩(wěn)定態(tài)再到下一層，最外層電子數(shù)越少，就越容易失去。同一周期的元素，電子層數(shù)相同，從左往右，最外層電子數(shù)增加，失電子能力逐漸減弱。所以同一周期從左往右，元素的金屬性越來越弱，非金屬性越來越強。

而同一主族的元素，從上到下，最外層電子數(shù)相同，但電子層數(shù)依次增加，最外層電子離原子核越來越遠，失電子能力越來越強。

所以活潑金屬全部都聚集在元素周期表最左列——鋰鈉鉀銣銫，這些暴脾氣的金屬甚至可以直接與水發(fā)生劇烈反應（多看一眼就會爆炸）。其中最活潑的就是電子層數(shù)最多的那個，也就是表格左下角的銫。其實理論上比銫還活潑的金屬也是存在的，就是往下一格的鈁，但由于鈁是放射性元素，所以銫被公認是世界上最活潑的金屬。

既然銫最活潑，那為什么現(xiàn)在沒有銫離子電池呢？因為鋰最輕??！鋰鈉鉀銣銫，都是電離出一個電子，但鋰的原子質(zhì)量最小，宏觀性質(zhì)就表現(xiàn)為能量密度最高。在所有的金屬元素中，鋰因為最少的最外層電子數(shù)和最輕的原子質(zhì)量，再加上儲量和制備成本的關(guān)系，就成為了高能量電池的最優(yōu)選擇。

當然按照這個邏輯，鋰往上還有比它更輕的氫，氫是整個元素周期表中，最簡潔、能量密度潛力最高的存在。基于“氫”元素的能量開發(fā)，除了我們熟知的可控核聚變，還有就是被認為最有希望取代內(nèi)燃機的動力系統(tǒng)——氫燃料電池，這個有機會再講。所以人類未來的能源希望，其實就是如何馴服氫元素。而且氫和鋰，我全都要。

既然路徑清晰，那就開搞?。康?，要把理論落到實處，變成實用的產(chǎn)品和商品，就會遇到成本、安全、壽命等一系列現(xiàn)實難題。講到這里，我們的主角鋰離子電池才正式出場。之所以前面要說這么多，因為只有從最基本的原理入手才能讓大家明白：電池技術(shù)說到底，就是利用不同元素的核外電子排布，以及電荷自由度所表現(xiàn)出的不同性質(zhì)，來最高效獲取能量。

同時大家應該也能感覺到了：電池技術(shù)之所以發(fā)展路徑如此明確，歸根到底是有系統(tǒng)完整的理論支撐，順著元素周期表挨個去試就行，剩下的就是解決具體的工藝問題。其實鋰往下的鈉，雖然能量密度不如鋰，但由于儲量更大，也是現(xiàn)在電池重要的發(fā)展方向，這個后面再詳細說。

而與之形成對比的，就是前段時間很熱的超導：因為目前關(guān)于超導現(xiàn)象沒有確切的理論解釋，所以開發(fā)超導材料就跟古代煉丹術(shù)煉金術(shù)差不多，知其然而不知其所以然，要靠運氣。

明白了鋰才是電池的發(fā)展方向后，很快20世紀70年代，以二硫化鈦為正極材料，以金屬鋰為負極材料的可充電鋰電池被發(fā)明出來，并以遠超傳統(tǒng)電池的能量密度備受市場青睞，當時的“大哥大”用的就是這種鋰電池。注意！這里是鋰電池，而不是鋰離子電池，區(qū)別后面會講。

但是初代鋰電池存在著極大的安全隱患，根本原因還是鋰太活潑了，在充電時容易產(chǎn)生枝晶，這是由于當電池以超過可承受的電流運行的時候，大量鋰離子會來不及嵌入電極，在表面堆積，形成樹狀枝晶，從而刺破正負極之間的隔膜，造成內(nèi)部短路爆炸。想象一下，你每天睡覺，旁邊放一個充電炸藥包是什么感覺。

而在解決鋰電池安全性的過程中，有一位科學家脫穎而出——約翰 · 古迪納夫、“鋰離子電池之父”。其實初代鋰電池最大的問題，就是負極材料直接使用了金屬鋰，活潑過頭了。這時候，人們想起了另一種電池原理——離子轉(zhuǎn)移，這種電池已經(jīng)不像此前那樣，靠化學反應產(chǎn)生電子。

具體而言：當電池充電時，電子通過外部電流先聚集到負極上，同時正極的鋰離子進入電解液，穿過隔膜上彎彎曲曲的小洞，到達負極與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

而放電時，負極的電子通過外接電路到正極產(chǎn)生電流，鋰離子就再進入電解液，穿過隔膜，到正極與電子結(jié)合。因為充放電的過程，只是通過鋰離子在正負極之間嵌入和脫嵌實現(xiàn)的，整個電池中只有鋰的離子狀態(tài)，沒有金屬鋰，安全性不就大大提高了嘛！所以這類電池被稱為鋰離子電池。

而正極材料，只要能產(chǎn)生鋰離子就行，古迪納夫經(jīng)過研究認為：含鋰的層狀金屬氧化物是理想的正極，此時他正在研究一種神奇的材料——鈷酸鋰，這是一種類似坦克復合裝甲的層狀結(jié)構(gòu)，鈷原子和氧原子緊密結(jié)合，形成正八面體的平板，而鋰原子就嵌在兩個“平板”之間。這種結(jié)構(gòu)既穩(wěn)定，鋰原子又能在其中快速移動。鈷酸鋰做正極材料，成為電池中鋰離子的提供者，不僅能承受更高電壓，提高電量，而且不敏感，安全性更好。

鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)
 

不過，由于此前的鋰電池教訓太過慘烈，當時整個西方世界竟然沒有一家企業(yè)敢接手這個發(fā)明。而第一個吃螃蟹的是日本，80年代日本的電子產(chǎn)品橫掃國際市場，對電池技術(shù)的更新非常迫切。當時的索尼已經(jīng)找到了鋰離子電池合適的負極材料——石墨，因為負極材料只是儲存電子和鋰離子的“倉庫”，而石墨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以讓電子儲存在碳元素之間，而且價格低廉，是理想的負極材料。

古迪納夫的鈷酸鋰正極和索尼的石墨負極一拍即合，很快開發(fā)出了全新的可充電鈷酸鋰電池，一經(jīng)問世立刻大受好評，索尼一躍成為電池行業(yè)老大。我們今天使用的絕大部分鋰離子電池仍然延續(xù)了石墨負極——鋰化合物正極這種架構(gòu)，近30年來沒有大的改動。你的手機、筆記本電腦用的都是鈷酸鋰電池，它們的命都是這位老爺子給的。

發(fā)明出鈷酸鋰電池后，古迪納夫并未停止腳步。鈷酸鋰雖然儲能性能好，安全性也不錯，但仍然不是一個十全十美的材料。最大的問題是，長時間使用后，中間的鋰總是會移動，層狀結(jié)構(gòu)容易崩塌，就無法再存儲鋰離子了，從而造成電池容量衰減。而另一個原因是鈷太貴了，看看鈷在元素周期表中的位置，鐵之后的元素那都是超新星爆發(fā)才產(chǎn)生的，地球上本來就沒有多少。

為了解決鈷酸鋰電池的問題，1997年，古迪納夫又一次拿出了新的正極材料——磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰，簡稱LFP，先看看它的晶體結(jié)構(gòu)：鐵與氧組成FeO6八面體，磷與氧組成 PO4 四面體，按照一定規(guī)則構(gòu)成骨架，形成Z 字型的鏈狀結(jié)構(gòu)，而鋰原子就在其中的空位中。

▲磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)
 

相比鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰的骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，在中間的通道，鋰也能快速移動。雖然儲能效果要比鈷酸鋰差一點，但關(guān)鍵是便宜啊，主要成分只是鐵和磷，性能提升可以慢慢來。所以磷酸鐵鋰電池一問世，就靠著穩(wěn)定性和低成本迅速投入大規(guī)模應用，成為現(xiàn)在新能源汽車的主要電池種類之一。

先有鈷酸鋰，又有磷酸鐵鋰，古迪納夫在鋰離子電池技術(shù)突破上，做出了卓越的貢獻，而且在成本、可靠性方面實現(xiàn)了商業(yè)化基礎?？梢哉f，正是安全、可靠的商用鋰離子電池的出現(xiàn)，才實現(xiàn)了電子設備便攜化，開啟了現(xiàn)在的消費電子、移動通信和新能源汽車產(chǎn)業(yè)，你現(xiàn)在才能這么舒服的刷手機。老爺子也因此獲得了2019年的諾貝爾化學獎。他的歷史功績，完全可以稱得上是現(xiàn)代的“普羅米修斯”，為人類“偷”來了鋰電的“天火”。“鋰離子電池之父” 的稱號當之無愧。

不幸的是，今年6月25日，100歲的古迪納夫去世了，這位杰出的科學家，在生命最后幾年里，依然在孜孜不倦的攻堅全固態(tài)電池——這個有希望徹底解決鋰離子電池安全問題的技術(shù)。

隨著新能源汽車的興起，動力電池成為了一個巨大的產(chǎn)業(yè)。動力電池的價格組成中，最主要就是原材料成本——鎳、鈷、鋰、錳等金屬，和金屬化合物原料的成本，占到正極材料成本的九成以上，而正極材料的價格變動，不僅會影響電池的成本與定價，也會深刻影響整個電池行業(yè)的研究方向和技術(shù)路線。

具體到中國國情，不論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，正極材料都很依賴于進口。為了降低成本，鈉離子電池和無鈷電池成為下一步的重點發(fā)展方向。

其實，整個動力電池的產(chǎn)業(yè)鏈，可以分為上中下三個環(huán)節(jié)。上游部分主要是鋰礦，鈷礦、鎳礦也是重點爭奪領域。智利是目前全球已探明鋰礦儲量最大的國家，超過800萬噸，占全球57%，而我國的鋰儲量只有100萬噸，僅占全球7%。

為了把控上游原材料價格，國內(nèi)鋰電相關(guān)企業(yè)紛紛出海布局，大規(guī)模對海外鋰礦資源進行收購，比如西澳格林布什礦。另一家中國企業(yè)，贛鋒鋰業(yè)，已經(jīng)在澳大利亞、阿根廷、愛爾蘭等地方的鋰礦上擁有了股權(quán)。

所以在上游這塊，企業(yè)之間拼的還是錢和資源，誰能收購、入股更多的海外礦山，誰就能在這個領域有更大的話語權(quán)。這樣的游戲規(guī)則下，自然只有實力雄厚的大企業(yè)才能活得下去：目前六大企業(yè)已經(jīng)占了84%的市場份額，全球鋰資源的供給，基本都掌握在SQM、ALB、FMC、天齊、贛鋒等幾家大型企業(yè)手中。

中國新能源車輛制造企業(yè)之所以現(xiàn)在能發(fā)展成這樣，之所以能拿出極具性價比的車型，不得不說，背后上游電池原材料掌握在中國人自己手中是一個很重要的因素。

中游部分則是電池及其配套企業(yè)。正負極材料、電解液、隔膜材料等配套企業(yè)雖然重要，但中游部分的核心依舊是制造電芯和電池模組的企業(yè)——這個行業(yè)的大型玩家大家都很熟悉了：寧德時代、比亞迪、國軒高科、億緯鋰能……這些企業(yè)從上游采購正負極材料、電解液、隔膜材料和其他配套材料后，根據(jù)自身的設計理念和客戶要求，生產(chǎn)出規(guī)格不同的電芯產(chǎn)品、電池模組和BMS方案。

不過，動力電池行業(yè)如今也呈現(xiàn)出了較高的集中度——2020年的時候，前三大電池生產(chǎn)企業(yè)的裝機量達到了45.4吉瓦時，占了全球總裝機量的71%。顯然，這是一個門檻極高的行業(yè)。以寧德時代和比亞迪為代表，中國企業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢將會牢牢地形成阻擋后來者的護城河。

鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的下游，則是各種終端應用生產(chǎn)商。我們是非常幸運的，龐大的人口數(shù)量，疊加幾十年發(fā)展的紅利，最終使得我們成為了鋰電池的“天選之地”——不僅有旺盛的消費市場，也有龐大的產(chǎn)能和完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2015年的時候，中國鋰電池出貨量只有45GWh，7年之后的2022年，中國鋰電池的出貨量已經(jīng)達到了130GWh，和電池出貨量同步起飛的，是中國的新能源汽車產(chǎn)量。2022 年我國新能源汽車銷量為687.2 萬輛，同比增長96%，滲透率為25.6%。

不過呢，雖然現(xiàn)在的鋰離子電池，已經(jīng)在消費電子市場一統(tǒng)江湖，但安全和能量密度，一直是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)最核心的兩個問題。要搞清楚原因，我們還是從最基本原理解釋。如果把鋰離子電池比喻是一個城市，正極就相當于城市所有的工作崗位，負極相當于城市里的住宅公寓，鋰離子就是城市里辛勤工作的普通打工人。放電就是打工人從公寓（負極）去單位（正極）上班釋放能量的過程，充電就是打工人下班，回公寓休息補充能量的過程。

我們可以用這個模型來理解電池性能衰減的幾個原因。首先是容量衰減：相當于經(jīng)濟環(huán)境惡化，企業(yè)降本增效裁員，競爭更加激烈，同時黑心房東又漲了房租，打工人壓力太大，紛紛逃離北上廣回老家了，具體表現(xiàn)就是電池用的越久，正負極材料在充放電過程中會不斷收縮膨脹，不可避免會從集流體上脫落，導致可嵌入的晶格數(shù)量降低，從而降低電池容量。就好像打工人在單位時間長了，最初的熱情逐漸歸于平淡，慢慢開始摸魚，同時大公司的山頭主義，各部門扯皮，導致工作效率下降。

第二，內(nèi)阻增加。這種情況在冬天尤其明顯，溫度降低，電解液的粘度增大，鋰離子在正負極之間的遷移受到了很大阻礙。就好像下雪天，路上濕滑，打工人上下班效率降低，或者城市基建太差，交通癱瘓導致上下班成本高。這就是為什么冬天一到，電動車就成你爹了。

而且尤其要注意的是：低溫給手機充電時，鋰離子嵌入石墨的速度變慢，來不及嵌入的鋰離子也會在表面形成枝晶成為“死鋰”，不僅降低電池壽命，而且容易刺穿隔膜，增大短路爆炸的風險。所以和燃油的內(nèi)燃機動力相比，現(xiàn)在動力電池還是太嬌氣了。

總之，現(xiàn)階段增加電池容量，依舊是各大電動車廠商提升續(xù)航最有效的方式。大力出奇跡，反正冬季續(xù)航都要打折，電池越大，打折后續(xù)航也就越長。同時用更加先進的電池管理系統(tǒng)避免電池在危險狀態(tài)下工作，提高安全性。比亞迪的刀片電池就是通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，把方塊長度變長，用電池殼體本身來提供一部分電池箱的強度，這樣電池箱體不需要做得很厚重，從而提升了成箱后的能量密度，在保證安全性的同時用物理方法提高電池容量。

但這些措施只是治標不治本，要想從根本上解決問題，還得革新正負極材料和電解液。鈉離子電池被認為是接下來重要的發(fā)展方向：其實就是用含鈉化合物做正極，用鈉離子取代鋰離子在系統(tǒng)內(nèi)嵌入和脫嵌。

雖然鈉的原子重量是鋰的三倍，導致其嵌入和脫嵌的阻力更大，能量密度不如鋰。但好在鈉儲量豐富，是地殼第六大豐富的元素，不僅在海洋中隨處可得，提純也更環(huán)保也更容易。而且鈉離子電池的生產(chǎn)設備、工藝可以和鋰離子電池完美兼容，無縫銜接，甚至可以直接復制嫁接后者成熟的生產(chǎn)體系。

寧德時代就是目前鈉離子電池開發(fā)的領跑者，第一代鈉離子電池的電芯單體能量密度達到了160Wh/kg，雖然和磷酸鐵鋰的210Wh/kg和三元鋰電池的300Wh/kg相比還有很大差距，但低溫性能更好：在零下20度的情況下，依然有90%以上的放電保持率；常溫下15分鐘就能充電80%以上，在很多領域取代鉛酸電池已經(jīng)毫無問題了。而且寧德時代預告的第二代鈉離子電池，電芯單體能量密度將超越200Wh/kg，完全可以媲美磷酸鐵鋰，投入更大規(guī)模的應用。

其次，就是負極材料的更新。電池的充放電，其實就是鋰離子在負極材料中進進出出，如果能提高負極材料的晶格容量，也能提高電池能量密度。目前的石墨負極材料，已逼近372mAh/g的理論極限了。材料更新最簡單的辦法就是尋找同族元素：因為最外層電子數(shù)相同，就表現(xiàn)出類似的化學性質(zhì)。

碳下面就是硅，硅基是目前容量最高的電池負極材料，理論值高達4200mAh/g，是石墨負極理論極限的近12倍。特斯拉的第三代4680電池，革命性地使用了硅碳負極材料，能量密度達到了3300Wh/kg，是此前21700電池的5倍，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

電池技術(shù)的更新，其實就是把正負極材料順著元素周期表，往下走一格。所以應用科學的發(fā)展水平歸根到底還是取決于基礎科學的研究。從第一塊電池誕生到現(xiàn)在的鋰離子電池，電池技術(shù)200多年的發(fā)展，也是人類接觸、了解、利用元素，進而獲取能量的過程。鋰離子電池或者鈉離子電池，都只是其中的代表而已，并不是終點。

在未來，人類還將向著更高效的氫燃料電池、可控核聚變進軍，這些更有前途也有更有難度的高新技術(shù)，關(guān)于它們的故事，我們下次再講。

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