电池研究院丨电池的昨天、今天与明天

　　【太平洋汽车网 文化频道/技术频道】钢铁侠伊隆·马斯克于本周三发布了新型锂离子电池，新配方电池真的能引领整个新能源汽车工业往更加正确的方向前行吗？

　　先不下结论，不如先跨越世纪看看电池的昨天和今天，我们再来讨论电池的明天。

　　“Electric Battery”的中文翻译“电池”二字可谓精髓至极，将“电”放进一个“池子”里面储藏着，用的时候再放出来。

　　这让笔者不禁想起历史上最古老的电池——雷神索尔那把据称有19.2公斤重的“雷神之锤”……

　　公1，斯堪的纳维亚半岛上的居民们因敬畏上天（天气现象）编了一堆神话，口口相传就成了北欧神话体系，其中主神最强大的儿子索尔司掌雷电与战争。期四的英文“Thursday”正是源于索尔“Thor”之名，所以笔者建议充电桩企业可以在每周四弄个5折的“索尔充电日”。

　　虽说中世纪之后基督教入侵北欧并把北欧神话作品当异端邪说铲除清光，但手握雷神之锤击杀巨人的雷神形象依然在美国好莱坞的帮助下保存了下来。

　　这幅《Thor's Fight with the Giants》油画创作于1872年，作者是瑞典艺术家马腾·埃斯基尔·文奇(Marten Eskil Winge)，现藏于斯德哥尔摩国家博物馆。

　　特斯拉品牌的T来自Tesla之名，形似雷锤

　　实际上，同时期的中国也有同类型的神话传说，笔者三年前在“皆电GeekNEV”开刊词《》中曾提到过时期的“电公雷母”概念。

　　以上的东西方典例均是神学范畴的内容，但古代人类真的完全不懂电与电池为何物吗？

　　恐怕是了。

　　下面有个不太靠谱的例子：

　　1936年，伊拉克铁路工人在首都郊区挖掘到一组“巴格达电池”（Baghdad Battery），德国考古学家卡维尼格对外宣称：“这些出土的铜管、铁棒和陶器是一个古代化学电池，只要向陶瓶内倒入一些酸或碱性水，便可以发出电来。”

　　见到这颗巴格达电池时，笔者的第一反应就是：又是一枚“欧帕兹”（Out Of Place ARTifactS），这跟我们国内“上周”刚建好的“西周”古迹没什么区别……

　　别扯了，入正史。

　　人类历史上第一个关于“电”的记录，在公元前6世纪前后，古希腊哲学家泰勒斯发现摩擦后的琥珀可以吸起绒毛和木屑，遍认为这些死物内部其实有生命灵魂的，只是肉眼看不见而已。

　　连小学《自然》课都没上过的大哲学家泰老师不知道，其实是静止的电荷在物体内部积聚，一旦打破舒适区它们就要就炸毛。

　　人类又过了整整20个世纪，才勉强打开了电磁学的大门，然而此时愚钝的人类根本无法将电储藏起来挪为己用。

　　直至17世纪，荷兰莱顿大学（Leiden University）的彼得·范·穆森布罗克教授（Prof. Pieter van Muhenbroek）发明了莱顿瓶（Leyden jar），人类第一次捕捉到了电。

　　穆森布罗克教授高兴得像个200斤的大孩子，就像第一次学会用球的小朋友。4个世纪之后，莱顿大学依然拿着这个典故来招生……

　　电是抓住了，但如何源源不断地捕捉/生产电呢？这个问题要到18世纪中叶才能回答，答题者是美国开国大神本杰明·富兰克林（Benjn Franklin），他从苍天哪里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。

　　光荣的富兰克林院士并未完成18世纪的电学成就，意大利物理学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）在这个世纪最后一年造出了中国高中生最讨厌的“伏打电堆”，成为了世界上第一组化学电源——“巴格达电池”不靠谱，别信。

　　为致敬伏打老师对电学的贡献，电压单位便成了Volta。

　　随着19世纪初发电机与电动机相继发明，电学进入了一个全新的纪元。准确来说，19世纪是属于电池的第一个光辉世纪。

　　1802年：Dr. William Cruikshank设计了第一个便于生产制造的电池。

　　1836年：英国化学家John Frederic Daniell为提供稳定的放电电流对电池做了改进，此时电压终于提升到1V以上。

　　1859年：法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸二次电池，这是一款伟大的化学电源，足足12V电压，可重复充电循环使用，一直玩到了21世纪，当前年销量超过半个亿。

　　1868年：George Leclanché开发出使用电解液的电池。

　　1881年：J.A.Thiebaut取得干电池专利.。

　　1888年：Dr. Gassner开发出第一个干电池，1896年美国开始量产干电池，如今中国年产干电池数量超过1000亿个。

　　1890年：Thomas Edison发明可充电的铁镍电池。

　　1896年：D型电池诞生，这也是我们越来越少用到的1号电池。

　　1899年：瑞典发明家Waldmar Jungner发明了镍镉电池。

　　电池与车辆的结合，在19世纪中页开始，20世纪前页达到顶峰。从郭睿同事编撰的《》（上图）上可知，1900年在美国上牌的汽车当中，电动汽车占比38%，是汽油汽车的将近2倍。

　　然而，汽油内燃机的快速崛起，让初期发展的电动汽车完全没有了竞争力。随着石油提炼技术的提升、油站建设的铺开，一个中心化的汽车补能网络建立而成。

　　由于电池储能能力的孱弱，只有数十公里的电动汽车纵使拥有尼古拉·特斯拉这种远程输电大神打造的去中心化补能网络助力（），也无力回天。

　　20世纪的电池研发史，奠定了今天全球电池技术的大纲。

　　20世纪前半段，电灯终于点亮了这颗星球更多的黑暗部分，然而电池技术依然在黑暗时期，铅运用在各行各业（包括汽车12V电源），可充电的铁镍电池与不可充电的碱性电池相继量产，但性能极弱。有趣的是，那个年代使用电池最多的器械居然也是在黑暗中度过的——潜水艇。

　　著名的德国U型潜艇横跨了第一次和第二次世界大战，那时候没有核反应堆，潜艇水下航行速度很慢、续航很短，那是因为没有氧气供柴油机工作时就只能使用电池提供能源。

　　极为孱弱的电池能量密度，很好地解释了两件事：

　　1、为什么U型潜艇需要装一门甲板炮？ → 缺电是常态，在水上航行是常态，这时候甲板炮最好用。

　　2、为什么U型潜艇如此怕驱逐舰？ → 电压太低、电流太弱，只有几节航速的水下潜艇就是深水炸弹的活靶子。

　　在中国抗战时期，军用电台主要使用两种电池：一次电池（干电池）能用10天左右，但我们很难获得；二次电池（湿电池）可以用1年左右，可以使用手摇式（下图）或者脚踏式发电机进行循环充电。

　　我方电台

　　日方电池

　　随着二战后的第三次科技革命，人类对储电系统的依赖越发严重，然而电池的性能依然难以支撑我们的需求。

　　不是人类太懒，而是能试的材质和方式基本都试过了，就是造不出一颗既安全又高储量的电池。下方截屏是目前全球科学家试验过的电池种类：

　　第一次让“便携”一词成为现实的是“大哥大”。

　　东西南北中，发财到广东。80年代末，一斤重的移动电话进入香港与广州市场，2万多一台的价格，充电10小时只能撑30分钟，电池记忆效应强，得配一个放电器放空了再充，最好每月进行一次深度充放电。

　　这种巨型的电池就是镍镉电池，可循环1100次（实际用起来差远了）。

　　然而并不要认为这款最终因为安全问题被批量召回的电池是最失败的电池作品，因为世界上比它失败的电池有足足数亿种。

　　移动电话的电池从镍镉到镍氢，再到锂离子电池，这条路走了30多年，每一步都非常不容易，特别是迈入锂离子电池这一步，消耗掉了人类极多的运气（笔者认为比解决古巴导弹危机还好运）。作为参考，单单索尼一家，在1986年-1991年间研究锂离子电池期间使用过的正极、负极、电解液组合达到1亿种以上……

　　用清华大学汽车工程系博士 @张抗抗 先生的话来说就是：锂电池的发明并不是人类科技树的必然结果，而是一项奇迹。

　　我们今天能用着刷着智能手机、听着真无线耳机、吃着电动车送来的外卖宅家度日，还得感谢三位2019年诺贝尔化学奖得主——迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆（Michael Stanley Whittingham）、约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John Bannister Goodenough）、吉野彰（Akira Yoshino）。

　　迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆（Michael Stanley Whittingham）从第一次石油危机（20世纪70年代）开始投入电池科技研发，他指明了“锂嵌入”技术路线，提升了充放电反应的可逆性，提升了安全性，是给我们带来宅家福利的“锂电之父”。

　　今年98岁高龄的“足够好先生”——约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John Bannister Goodenough），其实从54岁才开始研发电池。古迪纳夫博士是锂电池领域最大的功臣，三大锂电池正极材料（钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂）都是他带领的团队找出来的，其中钴酸锂诞生在1980年，使用石墨为阳极并解决了“锂枝晶”现象。

　　因为钴酸锂方案过于前沿，在当年堪称痴人说梦（连古迪纳夫博士的母校牛津大学都不理他了）。这世界只有疯子会欣赏疯子，而这个投钱的“疯子”是日本索尼。在刚刚提到的一亿种方案中，索尼找出了第一种可量产化的锂离子电池方案，并在1991年将其投入市场。

　　古迪纳夫博士 × 索尼 = 宇宙最强大脑

　　不接受反驳，因为当今遍布全球各产业的锂离子电池运用就是从这里开始的，而在锂离子电池之前，没有任何一款电池可以同时做到：

　　1、工作电压高

　　2、体积小重量低

　　3、无记忆效应

　　4、自放电少

　　5、能量密度高

　　6、循环寿命较长

　　可以说，古迪纳夫博士的锂离子电池技术塑造了现代人的生活方式。

　　吉野彰（Akira Yoshino）也是神人一位，吉野教授在1983年开发出锂离子电池原型，最终确立了锂离子电池基本框架的。这位日本老头子喜欢去风俗店，在25年前就跟妈妈桑夸下海口说他会拿到诺贝尔奖的。

　　都说“男人的嘴，骗鬼的人”，然而他真的拿到了诺奖……

　　在锂离子电池上市前一年，日后的死对头镍氢电池正式上市，这也是我们平常用得最多的充电电池（下图“爱老婆电池”）。

　　镍氢电池研发时间长达20年，德国戴姆勒-和都有投资，则是最喜欢用镍氢电池的新能源车，浅充浅放可以随便玩10年以上。

　　80年代出生的朋友们应该对日本便携式机和MD机很熟悉。在苹果iPod问世之前，这两款转盘式便携播放器在我们这代人当中很受热捧，这批机子多数用的都是镍氢电池，日本厂商喜欢称之为“水素电池”。

　　为什么镍氢电池占领电动汽车市场？还是因为能量密度的问题。

　　笔者还有一堆香口胶电池

　　锂离子电池的能量密度足够高，在安全性趋向于稳定之后，戴尔率先在笔记本电脑上使用了锂离子电池。2012年上市的特斯拉，就是用7000多节笔记本锂离子电池驱动的，如此变态的封装技术和电控技巧，膝盖献上。

　　目前的锂离子电池并不甚稳定

　　不过，锂离子电池生产大国目前并不是美国。早在2004年，中国锂电池行业就已崛起，待至2008年终于形成中/日/韩三分天下的行业大局，这个态势一直维持到现在。

　　正因为有了成熟的锂离子电池技术与产业，电动汽车在21世纪重新迎来了新生。大家可以点击下方郭睿同事的文章《》进行更深度的了解。

　　目前锂离子电池行业主要有以下几种解决方案：

　　1、三元锂（镍钴锰酸锂Li[Ni-Co-Mn]O2或NCM）：当今动力电池行业用得最多的方案，其中用于稳定结构的Co钴，用量已经大幅下降（最低可以到1%左右），能量密度大增的NCM811高镍电池将成为主流，但安全性有待考验。

　　2、磷酸铁锂（LiFePO4）：比亚迪最爱的“铁电池”（目前进化成“刀片电池”），成本低，安全性好，寿命长，能量密度低。

　　3、钴酸锂（LiCoO2）：智能手机、笔记本电脑、数码相机最爱，能量密度高（能量型电池），寿命短，热稳定性差，比功率低。反正手机不会像车一样用足10年，满足大容量轻重量就行。

　　4、锰酸锂（LiMn2O4）：用在电动工具、医疗器械、电动汽车、混动汽车之上，功率大，能量密度中等。

　　5、镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA）：运用在工业领域、医疗器械、电动汽车（特斯拉等），类似钴酸锂，能量密度高（能量型电池），可以做到低钴。

　　6、钛酸锂（Li4Ti5O12）：负极使用钛酸锂，运用于UPS、便携工具、电动汽车（三菱iMiEV、飞度EV等），寿命长，充电快，能量密度最低，价格高，却是最安全的锂离子电池。

　　电池技术瓶颈真的无法突破吗？

　　跨越式发展暂时是没有的，不针对中国，而是全球电池研发与生产均没办法进行质变式的突破，如果你看到有新闻说“充电速度缩减90%”、“能量密度增加200%”之类的新闻，99%是假的。

　　很难吗？很难，因为一块简单的电芯（基础元件）需要受到多达6个维度的因素制约：循环寿命、功率密度、能量密度、工作温度区间、安全、成本。

　　6个维度的表现，就像是游戏里的“技能树”，我们手中只有有限的技能点，不能让所有维度的表现都全优，除非你愿意用200万成本打造一台15万家用车的电池组，以做慈善的方式促进我国新能源事业发展。

　　根据J.D.Power发布的《2020中国新能源汽车体验研究SM（NEVXI）》，中国电动汽车用户的续航期望值是554.4km，目前市面上的电动汽车平均值是366.1km。理想很丰满，现实很骨感。

　　A、电池能量密度太低（续航差）

　　B、电池安全性不佳（总是烧）

　　C、充电时间过长（碍事）

　　D、电池价格过高（车价高）

　　四座大山立在电动汽车消费者面前，跨不过去，就永远无法完全替代使用汽柴油燃料的内燃机汽车，即使我们有再大的愿景和决心。

　　电池的未来是怎样的？实话实说，没人知道，即使像古迪纳夫博士这种用“上帝视角”看人类的大神也无法直接回答。

　　下面有数种技术路线，大家多少也听过一些：

　　前两年，石墨烯概念炒得比绿水鬼还火，各种真假新闻充斥网路。实际上，石墨烯并不能像那些媒体人说的那样大大增加电池能量密度，它只是相当于内燃机的涡轮增压器，在理论上可以提升充放电速率而已。

　　但石墨烯真的是一个彻底的骗局吗？也不全是。

　　相比于在锂离子电池中的运用，石墨烯更有希望在超级电容中使用，其堪称变态的充放电效率可以让充放电成为一种享受。

　　问题是，超级电容器的能量密度只有锂离子电池的1/10左右，所以使用超级电容器充当动力电池部分的电动汽车只有极短的续航，当一下园区内的接驳巴士还成。

　　发布无钴电池概念（非磷酸铁锂）的“蜂巢能源”，前身是汽车动力电池事业部，自2012年起开展电芯研制，2018年2月独立，总部在江苏无锡。上一年7月，蜂巢能源发布了无钴电池和四元电池的“概念”。为什么说是概念呢？因为至今还没有更多消息露出。

　　因为地球上探明的钴多数都在刚果（金），最疯狂的时候从20万一吨涨到60万，低钴或者无钴才是出路。

　　据蜂巢能源介绍，无钴材料性能可以达到NCM811同等水平，材料成本降低5~15%，相应带来的电芯BOM成本可以降低约5%，且会让材料不受战略资源影响。

　　蜂巢能源称这款产品研发过程进展顺利，年底前将完成材料开发，2020年3月完成材料体系的进一步优化，2020年8月体系定型，2021年11月将实现无钴电芯的SOP。

　　钴可以稳定结构，镍则提升容量，集中力量开发高镍化动力电池已经成为行业共识，但是更高的能量密度也伴随着更活泼的化学性能，安全性能是整个行业必须要正视的问题。

　　在此背景上，蜂巢能源开发出四元正极材料，并基于该材料发布了全球首款四元材料电芯，其循环性能优于目前市场上常见的NCM811材料，可以做到容量更高、寿命更长、安全性更好。

　　据悉，四元材料电芯项目于2018年9月立项，将在2019年底前完成材料开发，预计将于2020年12月实现材料SOP，将在2022年11月实现基于四元材料的电芯SOP。

　　全固态电池就是电芯里面没有流体（液体/气体）的电池。因为内部全面采用固体结构，同样容量下的全固态电池比目前里头包着电池液的锂离子电池要更加轻薄，这意味着全固态电池的能量密度远高于一般锂离子电池了。

　　目前在一些实验室中，研究人员已经试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池。一旦大批量生产，只要平均价格能下去，电动车的续航能力将有望突破1000km，这可是柴油车才有可能挑战的大限。

　　再往更高处想一下，足够轻、足够大容量的全固态电池低价铺货之后，电动飞机是不是要成为现实了呢？

　　更重要的是，全固态电池接下来还有望进化成柔性电池，可以适应未来可穿戴设备的电池需求。谁家先突破，谁家就要先赚翻。

　　只不过，固态电池有一个很大的问题，那就是很难实现快充。这是物理短板，基本无法突破的。

　　古迪纳夫博士研发了当今锂离子电池领域的三大正极材料，目前业界的负极材料多用碳素材料（好消息是中国石墨储量占全球70%），非碳负极材料则有四大系列，包括硅基材料。

　　硅的理论容量超过石墨10倍以上，造成电池的话有望提升大约50%的能量密度。

　　此前的学者都不知道硅那么好用吗？都知道，只是解决不了硅基材料体积膨胀的问题。

　　石墨与硅的充放电机理不同，石墨是锂的嵌入和脱嵌，硅则是合金化反应，硅的脱嵌锂反应会令其体积膨胀3倍，电池内部结构破坏之后，就没后文了。

　　此前特斯拉曾经放风要发布一款基于硅纳米线负极打造的电池，业界先锋企业Amprius利用微小的碳纳米线（A4纸厚度的1/1000）储藏锂，硅纳米线与锂结合之后不会破裂。

　　锂离子电池首次充电时会形成SEI膜（固体电解质界面），消耗掉大量来自电极材料的锂离子，虽然降低了内部短路风险、防止溶剂分子的共嵌入（提升循环寿命），但也因此降低了总容量。为此，我们可以通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消SEI膜的锂离子消耗，从而提高电池的总容量和能量密度。

　　用人话来说就是：茄子太吸油，所以我们炒茄子时多放油……

　　预锂化技术有很多个方向，其中正极补锂可以使用富锂化合物、二元锂化合物等等，负极补锂可以使用锂箔补锂、硅化锂粉等等，在此不作展开。

　　2015年，铝离子电池领域突发一个新闻，斯坦福大学和湖南大学的几位教授在《自然》上发表了一篇创新性铝离子电池的研究报告，声称铝离子电池有潜力做到充电1小时（超充）、用电3-4天（高容量）。

　　很明显，这只是一个实验性质的雏形，距离成品还有一个跟斗云的距离。5年过去了，没后续，暂时别想了。

　　氯离子电池、氟离子电池、钠离子电池……

　　电池的研发过程就是在元素周期表大海捞针的过程，全球研发人员对此的试验次数以“亿次”为基本单位。

　　此外，无极耳设计（刚刚发布，如下图）、CTP设计（比亚迪刀片电池）、4680电芯（算是特斯拉的CTP技术）

　　随着电池的不断进化，极度追求轻量化的无人机成为了现实，锂电池潜艇成为了现实（日本已有下水案例），伊隆·马斯克也曾表示：一旦电池能量密度达到400Wh/kg的时候，电动飞机将成为可能。

　　笔者认为，化石能源将在核聚变发电技术商用化之后变得无足轻重，人类接下来面临的问题不再是能源短缺，而是如何储藏取之不尽用之不竭的电能。

　　答案依然是——伟大的电池！

　　核电站不是说开就开、说停就停，功率也不能随着实际用电负荷进行快速反应，因此除了陪火力发电机组进行调峰之外，还可以在核电站选址时就找到一个高于核电站的上水库来储能。

　　抽水储能可以说是大容量电能储藏的最古典打法了。多余的电能用于抽“下水库”的水到“上水库”，将电能变为重力势能储藏，需要用电时倒流发电，这或许是地球上最大的“电池”了。

　　飞轮储能的构想诞生得很早，但材料科学大跃进之后的20世纪才有真正的发展，NASA在60年代开始将飞轮储能机构用作储电系统安装在卫星之上。

　　飞轮储能的原理也足够简单，就是在电力富余的时候用电机将电能转化成飞轮旋转的机械能，反之既是发电过程。

　　飞轮储能占地小，能量密度大，功率密度大，但持续时间太短了，用作UPS、赛车动力系统临时储电还差不多，此外还可以给风力发电系统进行调峰（风力发电组+内燃机组+飞轮储能），要用作长时间电能输出那是不合理的。

　　电力富余时，用电将空气压缩储藏在储气罐、储气室、洞穴当中，用电时释放出来进入燃烧室，配合燃料驱动燃气轮机发电。

　　压缩空气的压力通常可以达到70-100bar，而高压空气对于内燃机燃烧而言可是正儿八经的宝贵资源。

　　目前压缩空气储能要改进的一大重点就是有效利用好压缩空气过程中产生的热能，这样子才能提升压缩空气储能系统的整理效率。目前有一项技术叫做绝热压缩空气储能系统（AA-CAES），暂未实用化。

　　比较典型的“车电互联”Vehicle-to-Grid案例就是蔚来不久之前推出的“反向换电”（威马目前也有V2G项目落地），用户将充满的电池运到换电站换走当前最低电量的那块电池，而这个概念其实不是蔚来开创的，而是美国特拉华大学的Kempton和Letendre在1997年提出。

　　设想是很好的，V2G的确可以帮助整个电动汽车社会削峰填谷，问题是目前动力电池的循环寿命太珍贵了，1000个充放电循环下来，多数锂离子电池的性能都会大大削减（对于电动汽车体验而言），电网/车企给予的V2G补贴又无法填平动力电池循环寿命的坑。

　　除非电池循环寿命能到达4000次甚至更多，否则V2G技术只能算是一种“为爱发电”的行为艺术……

　　首先声明一点：“氢燃料电池”不是一种电池，而是一种换能装置，可以类比汽柴油发动机。

　　充当“电池”角色的是储氢罐，这是一种高压设备，技术含量很高，造起来一点都不比目前的三元锂电池容易。下方文章《》是笔者在5年前写的一篇氢燃料电池车技术原理与行业分析。

　　文章太长太枯燥，我用人话来解读：电很难储藏起来，所以将能量转化成氢气方便保存，像汽柴油一样运到各地的加氢站，车辆用氢燃料电池进行发电。

　　“电”并不新，但全新的电能生产模式、电能储藏模式、电能运输模式、电能消费模式，却是指引未来生活（不单指汽车生活）的重要因素，通过质子交换膜获取氢气中所储电能的高效、环保、安全方法，更值得大财团投入研发资金。

　　我们不敢肯定未来社会一定是属于“氢”的，氢燃料电池车甚至可能在成本无法大幅降低、加氢站网络无法铺开、制氢与储氢技术无法突破等压力下退出市场成为历史，但有一点是肯定的：氢能社会所代表的“环保”理念是真正的环保（反面例子是半吨电池上身还敢说自己“环保”的纯电动车），整个氢燃料电池能量转化过程的副产品只有“水”——我们的生命之源。

　　人类在18世纪学会了电的使用与储藏，与当年直立人学会用火一样拥有史诗般的意义。电池技术经过19世纪与20世纪的迅猛发展，当今世界已经彻底离不开电池了。

　　小如无线耳机，大如纯电公交；低如弹道导弹潜艇，高如登月火箭；近如外卖小车，远如越洋船舶……电池成为了驱动世界的一股不可或缺的中坚力量。

　　在潜力无限的核聚变发电技术促成下，未来世界更需要储电技术的支撑。

　　真正环保的氢气储电，或许是我们的最终答案。

　　（文：太平洋汽车网 黄恒乐）