最近在了解新能源汽車(chē)的相關(guān)知識(shí)，因?yàn)槲业牡谝惠v車(chē)斯柯達(dá)已經(jīng)用了10年了，正在考慮要不要換。當(dāng)時(shí)花了十五六萬(wàn)，這個(gè)價(jià)位放到現(xiàn)在，已經(jīng)可以拿到配置和性能很不錯(cuò)的國(guó)產(chǎn)新能源品牌了。之所以考慮電車(chē)，主要是上次親自體驗(yàn)了一把電車(chē)加速的推背感和內(nèi)飾，深刻感覺(jué)：這才是未來(lái)??！
 

新能源汽車(chē)，最核心的當(dāng)然就是電池，更準(zhǔn)確的說(shuō)，是鋰離子電池。現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)力電池。因?yàn)殡姵乜墒钦嫉搅穗妱?dòng)車(chē)成本的40%，是利潤(rùn)最高的部分。有一個(gè)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(wú)論是電動(dòng)汽車(chē)的磷酸鐵鋰、三元鐵鋰電池；手機(jī)、平板的鈷酸鋰電池，還是先進(jìn)常規(guī)潛艇的蓄電池，全是用的鋰離子電池。

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

因?yàn)樽罱诳葱履茉雌?chē)，所以詳細(xì)了解了一下鋰離子電池的發(fā)展史，也請(qǐng)教了身邊從事相關(guān)工作的朋友，覺(jué)得非常有意思：從基礎(chǔ)科學(xué)角度來(lái)說(shuō)，鋰離子電池的發(fā)展其實(shí)就是人類(lèi)如何馴服“鋰”——這個(gè)自然界最活潑的金屬元素之一的過(guò)程，從中可以體會(huì)到科學(xué)探索的樂(lè)趣，深刻明白科技進(jìn)步才是社會(huì)發(fā)展的根本動(dòng)力。所以這次就從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個(gè)角度說(shuō)說(shuō)鋰電池。

我們高中時(shí)就學(xué)過(guò)，世間萬(wàn)物都是由元素構(gòu)成的。目前人類(lèi)確認(rèn)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(guò)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(lái)的呢？一切當(dāng)然還得從宇宙大爆炸說(shuō)起：137億年前的宇宙大爆炸形成了物質(zhì)、能量和時(shí)空，包括質(zhì)子在內(nèi)的各種粒子出現(xiàn)。

當(dāng)宇宙形成約38億年后，第一個(gè)質(zhì)子捕獲了一個(gè)電子，天字第一號(hào)元素——?dú)湔Q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(yīng)：4個(gè)氫原子聚合成一個(gè)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(yáng)每秒消耗6億噸氫，聚變成5.96億噸氦，這個(gè)過(guò)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(kāi)啟了萬(wàn)物演化的史詩(shī)進(jìn)程。

但需要注意的是：恒星聚變不會(huì)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(chēng)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(wàn)物、大千世界，這些就是物理學(xué)最基礎(chǔ)，也是最根本的研究對(duì)象；物質(zhì)、能量，進(jìn)而構(gòu)成了原子和分子，研究原子、分子運(yùn)動(dòng)和相互關(guān)系的就是化學(xué)。有機(jī)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(chǔ)，這有了生物學(xué)。人類(lèi)誕生后創(chuàng)造了文明，進(jìn)而發(fā)展出了歷史、政治、經(jīng)濟(jì)、哲學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)等人文學(xué)科。

所以人類(lèi)的知識(shí)體系，并不是獨(dú)立割裂存在的，互相之間存在嚴(yán)密的邏輯關(guān)聯(lián)和嚴(yán)格的先后順序。而在所有學(xué)科之上，研究萬(wàn)物之理的物理學(xué)是一切的基礎(chǔ)，應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展水平歸根到底要取決于基礎(chǔ)物理研究。

這一點(diǎn)，看過(guò)《三體》的觀眾應(yīng)該深刻明白：三體人能操控十一維中的九維，利用強(qiáng)相互作用材料制造出絕對(duì)光滑的水滴，無(wú)傷團(tuán)滅人類(lèi)3000艘恒星級(jí)戰(zhàn)艦，毀滅你與你何干！這里說(shuō)下四種基本作用力：強(qiáng)力、弱力、電磁力、引力。強(qiáng)力就是原子核內(nèi)部，克服質(zhì)子之間的強(qiáng)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(jiān)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(shuō)了。

目前，我們?nèi)祟?lèi)掌握的能量開(kāi)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(guò)熱機(jī)轉(zhuǎn)換的機(jī)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(fù)極）向氧化劑（正極）轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生的電能，也就是電池。這兩者在化學(xué)層面都是氧化還原反應(yīng)，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(guò)是利用核外電子排列組合變動(dòng)，所釋放的“邊緣能量”。

而基于其他三種作用力的能量開(kāi)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(yīng)該是強(qiáng)力：在飛米的尺度上，克服原子核內(nèi)的庫(kù)侖斥力，發(fā)生核聚變。不可控的是氫彈，另一種就是“永遠(yuǎn)50年”的可控核聚變。所以人類(lèi)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(guò)程，就是在可控的情況下，把能量釋放出來(lái)。

好啦，說(shuō)了這么一大堆，就是為了從基礎(chǔ)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(lèi)不過(guò)是生活在一顆小星球上的高級(jí)靈長(zhǎng)類(lèi)，通過(guò)燒開(kāi)水獲得能量，大規(guī)模應(yīng)用的也就化石燃料和電能。

電的發(fā)現(xiàn)其實(shí)很早，微觀層面就是表現(xiàn)為：電子從一個(gè)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(diǎn)是好用不好存，我們?nèi)粘Ｓ秒?，幾乎都是現(xiàn)發(fā)現(xiàn)用，在發(fā)電站發(fā)電，幾百公里遠(yuǎn)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(lái)，移動(dòng)使用，一直是個(gè)大難題。所以，如果能在電能的儲(chǔ)存上取得突破，不說(shuō)是一場(chǎng)能源革命吧，但至少也是個(gè)重大技術(shù)進(jìn)步。我覺(jué)得可以類(lèi)比人類(lèi)的武器從青銅進(jìn)化到鋼鐵，但如果要出現(xiàn)類(lèi)似冷兵器到熱兵器的革命性進(jìn)步，應(yīng)該只有可控核聚變了。而目前最有希望讓人類(lèi)在電的存儲(chǔ)上，取得階段性進(jìn)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(shuō)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(duì)其進(jìn)行解剖。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)手術(shù)刀的刀尖碰到蛙腿上外露的神經(jīng)時(shí)，蛙腿會(huì)劇烈痙攣，由此發(fā)現(xiàn)了生物電。

但這并不是重點(diǎn)，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(xué)家伏特受青蛙實(shí)驗(yàn)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(guò)的布片，經(jīng)過(guò)反復(fù)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(yīng)時(shí)產(chǎn)生的電子流動(dòng)：活性更高的鋅在電解液中失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，成為負(fù)極，較穩(wěn)定的銅，幾乎不會(huì)分解，成為正極。當(dāng)兩者被導(dǎo)體連接時(shí)，電子通過(guò)外部電路從鋅流向銅，形成回路產(chǎn)生電流。

從此，人類(lèi)對(duì)電的認(rèn)識(shí)，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(dòng)的電。伏特由于他開(kāi)創(chuàng)性的工作，奠定了現(xiàn)代化學(xué)電池的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并且提出了電位差理論，就是有電壓就會(huì)有電流，所以電壓?jiǎn)挝痪鸵运拿置恕?/p>

但伏打電池工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣，1836年，英國(guó)科學(xué)家丹尼爾進(jìn)行改良，發(fā)明了更優(yōu)異的鋅銅蓄電池：負(fù)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(gè)電池的原理，大家高中化學(xué)應(yīng)該都學(xué)過(guò)吧，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，通過(guò)外部電路進(jìn)入硫酸銅溶液，與其中的銅離子發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生金屬銅，正極重量增加。

此后化學(xué)電池的發(fā)展，其實(shí)就是用不同活性的金屬和金屬化合物，把正負(fù)極材料替換迭代。1850年，鉛酸電池被發(fā)明，負(fù)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(jiǎn)單，而且能夠充電循環(huán)。這里說(shuō)下充電和短路的原理：電池本質(zhì)上是利用化學(xué)反應(yīng)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(shí)現(xiàn)平衡。如果沒(méi)有用電器，直接回路導(dǎo)通，能量將無(wú)處可去，瞬間變成熱能（多看一眼就會(huì)爆炸）。一旦內(nèi)部的化學(xué)能量消耗完畢，電池就沒(méi)電了，充電就是通入外部電流將移動(dòng)到正極的電子重新歸位，循環(huán)使用。

鉛酸電池之后，人類(lèi)又發(fā)明了鎳鎘電池，就是你們小時(shí)候玩四驅(qū)車(chē)用的充電電池。但由于化學(xué)特性，如果沒(méi)把電用完就充電，會(huì)發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，電池會(huì)“記憶”了“最低電量”，導(dǎo)致下次充滿電量縮小，小時(shí)候家里長(zhǎng)輩應(yīng)該都告訴過(guò)你吧。而且鎘是重金屬，會(huì)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(shí)最常見(jiàn)的那種一次性電池（南孚）。

而在這些電池種類(lèi)中，還是鉛酸電池因?yàn)?strong>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(lèi)使用最廣泛的儲(chǔ)能電池。車(chē)載蓄電池、常規(guī)潛艇、坦克、電瓶車(chē)，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(gè)人要把總共320斤的蓄電池從電瓶間弄到幾百米外的車(chē)上，那個(gè)酸爽就別提了。

我十多年前騎的老式電瓶車(chē)，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(diǎn)了：體積重量大，能量密度低，充電次數(shù)有限。但人類(lèi)對(duì)能量的追求是永無(wú)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(yīng)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(dá)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(lái)越弱，非金屬性越來(lái)越強(qiáng)。

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(lái)越遠(yuǎn)，失電子能力越來(lái)越強(qiáng)。

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(yīng)（多看一眼就會(huì)爆炸）。其中最活潑的就是電子層數(shù)最多的那個(gè)，也就是表格左下角的銫。其實(shí)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(rèn)是世界上最活潑的金屬。

既然銫最活潑，那為什么現(xiàn)在沒(méi)有銫離子電池呢？因?yàn)殇囎钶p?。′団c鉀銣銫，都是電離出一個(gè)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?yàn)樽钌俚淖钔鈱与娮訑?shù)和最輕的原子質(zhì)量，再加上儲(chǔ)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(dāng)然按照這個(gè)邏輯，鋰往上還有比它更輕的氫，氫是整個(gè)元素周期表中，最簡(jiǎn)潔、能量密度潛力最高的存在?；凇皻洹痹氐哪芰块_(kāi)發(fā)，除了我們熟知的可控核聚變，還有就是被認(rèn)為最有希望取代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)——氫燃料電池，這個(gè)有機(jī)會(huì)再講。所以人類(lèi)未來(lái)的能源希望，其實(shí)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(kāi)搞??？但是，要把理論落到實(shí)處，變成實(shí)用的產(chǎn)品和商品，就會(huì)遇到成本、安全、壽命等一系列現(xiàn)實(shí)難題。講到這里，我們的主角鋰離子電池才正式出場(chǎng)。之所以前面要說(shuō)這么多，因?yàn)橹挥袕淖罨镜脑砣胧植拍茏尨蠹颐靼祝弘姵丶夹g(shù)說(shuō)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(lái)最高效獲取能量。

同時(shí)大家應(yīng)該也能感覺(jué)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(gè)去試就行，剩下的就是解決具體的工藝問(wèn)題。其實(shí)鋰往下的鈉，雖然能量密度不如鋰，但由于儲(chǔ)量更大，也是現(xiàn)在電池重要的發(fā)展方向，這個(gè)后面再詳細(xì)說(shuō)。

而與之形成對(duì)比的，就是前段時(shí)間很熱的超導(dǎo)：因?yàn)槟壳瓣P(guān)于超導(dǎo)現(xiàn)象沒(méi)有確切的理論解釋?zhuān)蚤_(kāi)發(fā)超導(dǎo)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(yùn)氣。

明白了鋰才是電池的發(fā)展方向后，很快20世紀(jì)70年代，以二硫化鈦為正極材料，以金屬鋰為負(fù)極材料的可充電鋰電池被發(fā)明出來(lái)，并以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電池的能量密度備受市場(chǎng)青睞，當(dāng)時(shí)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(huì)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(shí)容易產(chǎn)生枝晶，這是由于當(dāng)電池以超過(guò)可承受的電流運(yùn)行的時(shí)候，大量鋰離子會(huì)來(lái)不及嵌入電極，在表面堆積，形成樹(shù)狀枝晶，從而刺破正負(fù)極之間的隔膜，造成內(nèi)部短路爆炸。想象一下，你每天睡覺(jué)，旁邊放一個(gè)充電炸藥包是什么感覺(jué)。

而在解決鋰電池安全性的過(guò)程中，有一位科學(xué)家脫穎而出——約翰 · 古迪納夫、“鋰離子電池之父”。其實(shí)初代鋰電池最大的問(wèn)題，就是負(fù)極材料直接使用了金屬鋰，活潑過(guò)頭了。這時(shí)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子。

具體而言：當(dāng)電池充電時(shí)，電子通過(guò)外部電流先聚集到負(fù)極上，同時(shí)正極的鋰離子進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜上彎彎曲曲的小洞，到達(dá)負(fù)極與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

而放電時(shí)，負(fù)極的電子通過(guò)外接電路到正極產(chǎn)生電流，鋰離子就再進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，到正極與電子結(jié)合。因?yàn)槌浞烹姷倪^(guò)程，只是通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)電池中只有鋰的離子狀態(tài)，沒(méi)有金屬鋰，安全性不就大大提高了嘛！所以這類(lèi)電池被稱(chēng)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(guò)研究認(rèn)為：含鋰的層狀金屬氧化物是理想的正極，此時(shí)他正在研究一種神奇的材料——鈷酸鋰，這是一種類(lèi)似坦克復(fù)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(gè)“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(dòng)。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(guò)，由于此前的鋰電池教訓(xùn)太過(guò)慘烈，當(dāng)時(shí)整個(gè)西方世界竟然沒(méi)有一家企業(yè)敢接手這個(gè)發(fā)明。而第一個(gè)吃螃蟹的是日本，80年代日本的電子產(chǎn)品橫掃國(guó)際市場(chǎng)，對(duì)電池技術(shù)的更新非常迫切。當(dāng)時(shí)的索尼已經(jīng)找到了鋰離子電池合適的負(fù)極材料——石墨，因?yàn)樨?fù)極材料只是儲(chǔ)存電子和鋰離子的“倉(cāng)庫(kù)”，而石墨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以讓電子儲(chǔ)存在碳元素之間，而且價(jià)格低廉，是理想的負(fù)極材料。

古迪納夫的鈷酸鋰正極和索尼的石墨負(fù)極一拍即合，很快開(kāi)發(fā)出了全新的可充電鈷酸鋰電池，一經(jīng)問(wèn)世立刻大受好評(píng)，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(fù)極——鋰化合物正極這種架構(gòu)，近30年來(lái)沒(méi)有大的改動(dòng)。你的手機(jī)、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(chǔ)能性能好，安全性也不錯(cuò)，但仍然不是一個(gè)十全十美的材料。最大的問(wèn)題是，長(zhǎng)時(shí)間使用后，中間的鋰總是會(huì)移動(dòng)，層狀結(jié)構(gòu)容易崩塌，就無(wú)法再存儲(chǔ)鋰離子了，從而造成電池容量衰減。而另一個(gè)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(lái)就沒(méi)有多少。

為了解決鈷酸鋰電池的問(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)。雖然儲(chǔ)能效果要比鈷酸鋰差一點(diǎn)，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(lái)。所以磷酸鐵鋰電池一問(wèn)世，就靠著穩(wěn)定性和低成本迅速投入大規(guī)模應(yīng)用，成為現(xiàn)在新能源汽車(chē)的主要電池種類(lèi)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(xiàn)，而且在成本、可靠性方面實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，正是安全、可靠的商用鋰離子電池的出現(xiàn)，才實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備便攜化，開(kāi)啟了現(xiàn)在的消費(fèi)電子、移動(dòng)通信和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，你現(xiàn)在才能這么舒服的刷手機(jī)。老爺子也因此獲得了2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他的歷史功績(jī)，完全可以稱(chēng)得上是現(xiàn)代的“普羅米修斯”，為人類(lèi)“偷”來(lái)了鋰電的“天火”。“鋰離子電池之父” 的稱(chēng)號(hào)當(dāng)之無(wú)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(xué)家，在生命最后幾年里，依然在孜孜不倦的攻堅(jiān)全固態(tài)電池——這個(gè)有希望徹底解決鋰離子電池安全問(wèn)題的技術(shù)。

隨著新能源汽車(chē)的興起，動(dòng)力電池成為了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。動(dòng)力電池的價(jià)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(jià)格變動(dòng)，不僅會(huì)影響電池的成本與定價(jià)，也會(huì)深刻影響整個(gè)電池行業(yè)的研究方向和技術(shù)路線。

具體到中國(guó)國(guó)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(lài)于進(jìn)口。為了降低成本，鈉離子電池和無(wú)鈷電池成為下一步的重點(diǎn)發(fā)展方向。

其實(shí)，整個(gè)動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)鏈，可以分為上中下三個(gè)環(huán)節(jié)。上游部分主要是鋰礦，鈷礦、鎳礦也是重點(diǎn)爭(zhēng)奪領(lǐng)域。智利是目前全球已探明鋰礦儲(chǔ)量最大的國(guó)家，超過(guò)800萬(wàn)噸，占全球57%，而我國(guó)的鋰儲(chǔ)量只有100萬(wàn)噸，僅占全球7%。

為了把控上游原材料價(jià)格，國(guó)內(nèi)鋰電相關(guān)企業(yè)紛紛出海布局，大規(guī)模對(duì)海外鋰礦資源進(jìn)行收購(gòu)，比如西澳格林布什礦。另一家中國(guó)企業(yè)，贛鋒鋰業(yè)，已經(jīng)在澳大利亞、阿根廷、愛(ài)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(qián)和資源，誰(shuí)能收購(gòu)、入股更多的海外礦山，誰(shuí)就能在這個(gè)領(lǐng)域有更大的話語(yǔ)權(quán)。這樣的游戲規(guī)則下，自然只有實(shí)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(chǎng)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(guó)新能源車(chē)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?xún)r(jià)比的車(chē)型，不得不說(shuō)，背后上游電池原材料掌握在中國(guó)人自己手中是一個(gè)很重要的因素。

中游部分則是電池及其配套企業(yè)。正負(fù)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(gè)行業(yè)的大型玩家大家都很熟悉了：寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科、億緯鋰能……這些企業(yè)從上游采購(gòu)正負(fù)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(shè)計(jì)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(guò)，動(dòng)力電池行業(yè)如今也呈現(xiàn)出了較高的集中度——2020年的時(shí)候，前三大電池生產(chǎn)企業(yè)的裝機(jī)量達(dá)到了45.4吉瓦時(shí)，占了全球總裝機(jī)量的71%。顯然，這是一個(gè)門(mén)檻極高的行業(yè)。以寧德時(shí)代和比亞迪為代表，中國(guó)企業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)將會(huì)牢牢地形成阻擋后來(lái)者的護(hù)城河。

鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的下游，則是各種終端應(yīng)用生產(chǎn)商。我們是非常幸運(yùn)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(fèi)市場(chǎng)，也有龐大的產(chǎn)能和完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2015年的時(shí)候，中國(guó)鋰電池出貨量只有45GWh，7年之后的2022年，中國(guó)鋰電池的出貨量已經(jīng)達(dá)到了130GWh，和電池出貨量同步起飛的，是中國(guó)的新能源汽車(chē)產(chǎn)量。2022 年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量為687.2 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)96%，滲透率為25.6%。

不過(guò)呢，雖然現(xiàn)在的鋰離子電池，已經(jīng)在消費(fèi)電子市場(chǎng)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(gè)問(wèn)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(gè)城市，正極就相當(dāng)于城市所有的工作崗位，負(fù)極相當(dāng)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(fù)極）去單位（正極）上班釋放能量的過(guò)程，充電就是打工人下班，回公寓休息補(bǔ)充能量的過(guò)程。

我們可以用這個(gè)模型來(lái)理解電池性能衰減的幾個(gè)原因。首先是容量衰減：相當(dāng)于經(jīng)濟(jì)環(huán)境惡化，企業(yè)降本增效裁員，競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，同時(shí)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(fù)極材料在充放電過(guò)程中會(huì)不斷收縮膨脹，不可避免會(huì)從集流體上脫落，導(dǎo)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(shí)間長(zhǎng)了，最初的熱情逐漸歸于平淡，慢慢開(kāi)始摸魚(yú)，同時(shí)大公司的山頭主義，各部門(mén)扯皮，導(dǎo)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(fù)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(dǎo)致上下班成本高。這就是為什么冬天一到，電動(dòng)車(chē)就成你爹了。

而且尤其要注意的是：低溫給手機(jī)充電時(shí)，鋰離子嵌入石墨的速度變慢，來(lái)不及嵌入的鋰離子也會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。所以和燃油的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力相比，現(xiàn)在動(dòng)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(dòng)車(chē)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(zhǎng)。同時(shí)用更加先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)避免電池在危險(xiǎn)狀態(tài)下工作，提高安全性。比亞迪的刀片電池就是通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，把方塊長(zhǎng)度變長(zhǎng)，用電池殼體本身來(lái)提供一部分電池箱的強(qiáng)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(shí)用物理方法提高電池容量。

但這些措施只是治標(biāo)不治本，要想從根本上解決問(wèn)題，還得革新正負(fù)極材料和電解液。鈉離子電池被認(rèn)為是接下來(lái)重要的發(fā)展方向：其實(shí)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(dǎo)致其嵌入和脫嵌的阻力更大，能量密度不如鋰。但好在鈉儲(chǔ)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(shè)備、工藝可以和鋰離子電池完美兼容，無(wú)縫銜接，甚至可以直接復(fù)制嫁接后者成熟的生產(chǎn)體系。

寧德時(shí)代就是目前鈉離子電池開(kāi)發(fā)的領(lǐng)跑者，第一代鈉離子電池的電芯單體能量密度達(dá)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(lǐng)域取代鉛酸電池已經(jīng)毫無(wú)問(wèn)題了。而且寧德時(shí)代預(yù)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(yīng)用。

其次，就是負(fù)極材料的更新。電池的充放電，其實(shí)就是鋰離子在負(fù)極材料中進(jìn)進(jìn)出出，如果能提高負(fù)極材料的晶格容量，也能提高電池能量密度。目前的石墨負(fù)極材料，已逼近372mAh/g的理論極限了。材料更新最簡(jiǎn)單的辦法就是尋找同族元素：因?yàn)樽钔鈱与娮訑?shù)相同，就表現(xiàn)出類(lèi)似的化學(xué)性質(zhì)。

碳下面就是硅，硅基是目前容量最高的電池負(fù)極材料，理論值高達(dá)4200mAh/g，是石墨負(fù)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(fù)極材料，能量密度達(dá)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(shí)就是把正負(fù)極材料順著元素周期表，往下走一格。所以應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展水平歸根到底還是取決于基礎(chǔ)科學(xué)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(lèi)接觸、了解、利用元素，進(jìn)而獲取能量的過(guò)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(diǎn)。

在未來(lái)，人類(lèi)還將向著更高效的氫燃料電池、可控核聚變進(jìn)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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