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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)：51402 | 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，法國科學家通過改進電池設計，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?。ㄖ竼挝惑w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），這些缺陷使電動車續(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用于電動車上，例如兩德統(tǒng)一之前的西德就曾在20世紀的末期大力的發(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。當然，中國也并未落后，當時的知名企業(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，當時只有鉛酸電池在電動車上有比較廣泛的應用，鎳鐵電池在其它領(lǐng)域也有較為重要的應用。

　　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遠高出電池的能源，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。

　　在此后長達半個多世紀中，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?，因此都著手投入大量資源研究開發(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)風騷”？

　　以鋰電池的出現(xiàn)為標志，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)遠遠優(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)?；瘧贸杀鞠陆档谋尘跋拢饾u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、日本松下、韓國的三星SDI，以及中國的比亞迪、寧德時代、遠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，鋰電池也從一般的標準向“車規(guī)級”（即符合汽車標準的）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。以當下電池技術(shù)路線的發(fā)展來看，鋰電是當之無愧的“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。

　　當然，技術(shù)的進步永遠沒有止境，鋰電池當前被全球看好，并被視作為未來的“新石油”，但這遠遠不是終點。僅從電池的能量來源來看，當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。