【太平洋汽車網(wǎng) 文化頻道/技術(shù)頻道】鋼鐵俠伊隆·馬斯克于本周三發(fā)布了特斯拉新型鋰離子電池，新配方電池真的能引領(lǐng)整個(gè)新能源汽車工業(yè)往更加正確的方向前行嗎？

　　先不下結(jié)論，不如先跨越世紀(jì)看看電池的昨天和今天，我們?cè)賮?lái)討論電池的明天。

　　“Electric Battery”的中文翻譯“電池”二字可謂精髓至極，將“電”放進(jìn)一個(gè)“池子”里面儲(chǔ)藏著，用的時(shí)候再放出來(lái)。

　　這讓筆者不禁想起歷史上最古老的電池——雷神索爾那把據(jù)稱有19.2公斤重的“雷神之錘”……

　　公元1世紀(jì)，斯堪的納維亞半島上的居民們因敬畏上天（天氣現(xiàn)象）編了一堆神話，口口相傳就成了北歐神話體系，其中主神奧丁最強(qiáng)大的兒子索爾司掌雷電與戰(zhàn)爭(zhēng)。星期四的英文“Thursday”正是源于索爾“Thor”之名，所以筆者建議充電樁企業(yè)可以在每周四弄個(gè)5折的“索爾充電日”。

　　雖說(shuō)中世紀(jì)之后基督教入侵北歐并把北歐神話作品當(dāng)異端邪說(shuō)鏟除清光，但手握雷神之錘擊殺巨人的雷神形象依然在美國(guó)好萊塢的幫助下保存了下來(lái)。

　　這幅《Thor's Fight with the Giants》油畫創(chuàng)作于1872年，作者是瑞典藝術(shù)家馬騰·埃斯基爾·文奇(Marten Eskil Winge)，現(xiàn)藏于斯德哥爾摩國(guó)家博物館。

特斯拉品牌的T來(lái)自Tesla之名，形似雷錘

　　實(shí)際上，同時(shí)期的中國(guó)也有同類型的神話傳說(shuō)，筆者三年前在“皆電GeekNEV”開刊詞《愿我們成為富蘭克林的風(fēng)箏》中曾提到過(guò)秦漢時(shí)期的“電公雷母”概念。

　　以上的東西方典例均是神學(xué)范疇的內(nèi)容，但古代人類真的完全不懂電與電池為何物嗎？

　　恐怕是了。

　　下面有個(gè)不太靠譜的例子：

　　1936年，伊拉克鐵路工人在首都郊區(qū)挖掘到一組“巴格達(dá)電池”（Baghdad Battery），德國(guó)考古學(xué)家卡維尼格對(duì)外宣稱：“這些出土的銅管、鐵棒和陶器是一個(gè)古代化學(xué)電池，只要向陶瓶?jī)?nèi)倒入一些酸或堿性水，便可以發(fā)出電來(lái)。”

　　見到這顆巴格達(dá)電池時(shí)，筆者的第一反應(yīng)就是：又是一枚“歐帕茲”（Out Of Place ARTifactS），這跟我們國(guó)內(nèi)“上周”剛建好的“西周”古跡沒(méi)什么區(qū)別……

　　別扯了，入正史。

　　人類歷史上第一個(gè)關(guān)于“電”的記錄，在公元前6世紀(jì)前后，古希臘哲學(xué)家泰勒斯發(fā)現(xiàn)摩擦后的琥珀可以吸起絨毛和木屑，遍認(rèn)為這些死物內(nèi)部其實(shí)有生命靈魂的，只是肉眼看不見而已。

　　連小學(xué)《自然》課都沒(méi)上過(guò)的大哲學(xué)家泰老師不知道，其實(shí)是靜止的電荷在物體內(nèi)部積聚，一旦打破舒適區(qū)它們就要就炸毛。

　　人類又過(guò)了整整20個(gè)世紀(jì)，才勉強(qiáng)打開了電磁學(xué)的大門，然而此時(shí)愚鈍的人類根本無(wú)法將電儲(chǔ)藏起來(lái)挪為己用。

　　直至17世紀(jì)，荷蘭萊頓大學(xué)（Leiden University）的彼得·范·穆森布羅克教授（Prof. Pieter van Musschenbroek）發(fā)明了萊頓瓶（Leyden jar），人類第一次捕捉到了電。

　　穆森布羅克教授高興得像個(gè)200斤的大孩子，就像第一次學(xué)會(huì)用精靈球的小朋友。4個(gè)世紀(jì)之后，萊頓大學(xué)依然拿著這個(gè)典故來(lái)招生……

　　電是抓住了，但如何源源不斷地捕捉/生產(chǎn)電呢？這個(gè)問(wèn)題要到18世紀(jì)中葉才能回答，答題者是美國(guó)開國(guó)大神本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin），他從蒼天哪里取得了雷電，從暴君那里取得了民權(quán)。

　　光榮的富蘭克林院士并未完成18世紀(jì)的電學(xué)成就，意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）在這個(gè)世紀(jì)最后一年造出了中國(guó)高中生最討厭的“伏打電堆”，成為了世界上第一組化學(xué)電源——“巴格達(dá)電池”不靠譜，別信。

　　為致敬伏打老師對(duì)電學(xué)的貢獻(xiàn)，電壓?jiǎn)挝槐愠闪?strong>Volta。

　　隨著19世紀(jì)初發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)相繼發(fā)明，電學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的紀(jì)元。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，19世紀(jì)是屬于電池的第一個(gè)光輝世紀(jì)。

　　1802年：Dr. William Cruikshank設(shè)計(jì)了第一個(gè)便于生產(chǎn)制造的電池。

　　1836年：英國(guó)化學(xué)家John Frederic Daniell為提供穩(wěn)定的放電電流對(duì)電池做了改進(jìn)，此時(shí)電壓終于提升到1V以上。

　　1859年：法國(guó)物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸二次電池，這是一款偉大的化學(xué)電源，足足12V電壓，可重復(fù)充電循環(huán)使用，一直玩到了21世紀(jì)，當(dāng)前年銷量超過(guò)半個(gè)億。

　　1868年：George Leclanché開發(fā)出使用電解液的電池。

　　1881年：J.A.Thiebaut取得干電池專利.。

　　1888年：Dr. Gassner開發(fā)出第一個(gè)干電池，1896年美國(guó)開始量產(chǎn)干電池，如今中國(guó)年產(chǎn)干電池?cái)?shù)量超過(guò)1000億個(gè)。

　　1890年：Thomas Edison發(fā)明可充電的鐵鎳電池。

　　1896年：D型電池誕生，這也是我們?cè)絹?lái)越少用到的1號(hào)電池。

　　1899年：瑞典發(fā)明家Waldmar Jungner發(fā)明了鎳鎘電池。

　　電池與車輛的結(jié)合，在19世紀(jì)中頁(yè)開始，20世紀(jì)前頁(yè)達(dá)到頂峰。從郭睿同事編撰的《電動(dòng)車坎坷發(fā)展史》（上圖）上可知，1900年在美國(guó)上牌的汽車當(dāng)中，電動(dòng)汽車占比38%，是汽油汽車的將近2倍。

　　然而，汽油內(nèi)燃機(jī)的快速崛起，讓初期發(fā)展的電動(dòng)汽車完全沒(méi)有了競(jìng)爭(zhēng)力。隨著石油提煉技術(shù)的提升、油站建設(shè)的鋪開，一個(gè)中心化的汽車補(bǔ)能網(wǎng)絡(luò)建立而成。

　　由于電池儲(chǔ)能能力的孱弱，只有數(shù)十公里的電動(dòng)汽車縱使擁有尼古拉·特斯拉這種遠(yuǎn)程輸電大神打造的去中心化補(bǔ)能網(wǎng)絡(luò)助力（如上圖文章），也無(wú)力回天。

　　20世紀(jì)的電池研發(fā)史，奠定了今天全球電池技術(shù)的大綱。

　　20世紀(jì)前半段，電燈終于點(diǎn)亮了這顆星球更多的黑暗部分，然而電池技術(shù)依然在黑暗時(shí)期，鉛蓄電池運(yùn)用在各行各業(yè)（包括汽車12V電源），可充電的鐵鎳電池與不可充電的堿性電池相繼量產(chǎn)，但性能極弱。有趣的是，那個(gè)年代使用電池最多的器械居然也是在黑暗中度過(guò)的——潛水艇。

　　著名的德國(guó)U型潛艇橫跨了第一次和第二次世界大戰(zhàn)，那時(shí)候沒(méi)有核反應(yīng)堆，潛艇水下航行速度很慢、續(xù)航很短，那是因?yàn)闆](méi)有氧氣供柴油機(jī)工作時(shí)就只能使用電池提供能源。

　　極為孱弱的電池能量密度，很好地解釋了兩件事：

　　1、為什么U型潛艇需要裝一門甲板炮？ → 缺電是常態(tài)，在水上航行是常態(tài)，這時(shí)候甲板炮最好用。

　　2、為什么U型潛艇如此怕驅(qū)逐艦？ → 電壓太低、電流太弱，只有幾節(jié)航速的水下潛艇就是深水炸彈的活靶子。

　　在中國(guó)抗戰(zhàn)時(shí)期，軍用電臺(tái)主要使用兩種電池：一次電池（干電池）能用10天左右，但我們很難獲得；二次電池（濕電池）可以用1年左右，可以使用手搖式（下圖）或者腳踏式發(fā)電機(jī)進(jìn)行循環(huán)充電。

我方電臺(tái)

日方電池

　　隨著二戰(zhàn)后的第三次科技革命，人類對(duì)儲(chǔ)電系統(tǒng)的依賴越發(fā)嚴(yán)重，然而電池的性能依然難以支撐我們的需求。

　　不是人類太懶，而是能試的材質(zhì)和方式基本都試過(guò)了，就是造不出一顆既安全又高儲(chǔ)量的電池。下方截屏是目前全球科學(xué)家試驗(yàn)過(guò)的電池種類：

　　第一次讓“便攜”一詞成為現(xiàn)實(shí)的是“大哥大”。

　　東西南北中，發(fā)財(cái)?shù)綇V東。80年代末，一斤重的移動(dòng)電話進(jìn)入香港與廣州市場(chǎng)，2萬(wàn)多一臺(tái)的價(jià)格，充電10小時(shí)只能撐30分鐘，電池記憶效應(yīng)強(qiáng)，得配一個(gè)放電器放空了再充，最好每月進(jìn)行一次深度充放電。

　　這種巨型的電池就是鎳鎘電池，可循環(huán)1100次（實(shí)際用起來(lái)差遠(yuǎn)了）。

　　然而并不要認(rèn)為這款最終因?yàn)榘踩珕?wèn)題被批量召回的電池是最失敗的電池作品，因?yàn)槭澜缟媳人〉碾姵赜凶阕銛?shù)億種。

　　移動(dòng)電話的電池從鎳鎘到鎳氫，再到鋰離子電池，這條路走了30多年，每一步都非常不容易，特別是邁入鋰離子電池這一步，消耗掉了人類極多的運(yùn)氣（筆者認(rèn)為比解決古巴導(dǎo)彈危機(jī)還好運(yùn)）。作為參考，單單索尼一家，在1986年-1991年間研究鋰離子電池期間使用過(guò)的正極、負(fù)極、電解液組合達(dá)到1億種以上……

　　用清華大學(xué)汽車工程系博士 @張抗抗 先生的話來(lái)說(shuō)就是：鋰電池的發(fā)明并不是人類科技樹的必然結(jié)果，而是一項(xiàng)奇跡。

　　我們今天能用著刷著智能手機(jī)、聽著真無(wú)線耳機(jī)、吃著電動(dòng)車送來(lái)的外賣宅家度日，還得感謝三位2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主——邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）、約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）、吉野彰（Akira Yoshino）。

　　邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）從第一次石油危機(jī)（20世紀(jì)70年代）開始投入電池科技研發(fā)，他指明了“鋰嵌入”技術(shù)路線，提升了充放電反應(yīng)的可逆性，提升了安全性，是給我們帶來(lái)宅家福利的“鋰電之父”。

　　今年98歲高齡的“足夠好先生”——約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough），其實(shí)從54歲才開始研發(fā)電池。古迪納夫博士是鋰電池領(lǐng)域最大的功臣，三大鋰電池正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰）都是他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)找出來(lái)的，其中鈷酸鋰誕生在1980年，使用石墨為陽(yáng)極并解決了“鋰枝晶”現(xiàn)象。

　　因?yàn)殁捤徜嚪桨高^(guò)于前沿，在當(dāng)年堪稱癡人說(shuō)夢(mèng)（連古迪納夫博士的母校牛津大學(xué)都不理他了）。這世界只有瘋子會(huì)欣賞瘋子，而這個(gè)投錢的“瘋子”是日本索尼。在剛剛提到的一億種方案中，索尼找出了第一種可量產(chǎn)化的鋰離子電池方案，并在1991年將其投入市場(chǎng)。

　　古迪納夫博士 × 索尼 = 宇宙最強(qiáng)大腦

　　不接受反駁，因?yàn)楫?dāng)今遍布全球各產(chǎn)業(yè)的鋰離子電池運(yùn)用就是從這里開始的，而在鋰離子電池之前，沒(méi)有任何一款電池可以同時(shí)做到：

　　1、工作電壓高

　　2、體積小重量低

　　3、無(wú)記憶效應(yīng)

　　4、自放電少

　　5、能量密度高

　　6、循環(huán)壽命較長(zhǎng)

　　可以說(shuō)，古迪納夫博士的鋰離子電池技術(shù)塑造了現(xiàn)代人的生活方式。

　　吉野彰（Akira Yoshino）也是神人一位，吉野教授在1983年開發(fā)出鋰離子電池原型，最終確立了現(xiàn)代鋰離子電池基本框架的。這位日本老頭子喜歡去風(fēng)俗店，在25年前就跟媽媽?？湎潞？谡f(shuō)他會(huì)拿到諾貝爾獎(jiǎng)的。

　　都說(shuō)“男人的嘴，騙鬼的人”，然而他真的拿到了諾獎(jiǎng)……

　　在鋰離子電池上市前一年，日后的死對(duì)頭鎳氫電池正式上市，這也是我們平常用得最多的充電電池（下圖“愛老婆電池”）。

　　鎳氫電池研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20年，德國(guó)戴姆勒-奔馳和大眾都有投資，豐田普銳斯則是最喜歡用鎳氫電池的新能源車，淺充淺放可以隨便玩10年以上。

　　80年代出生的朋友們應(yīng)該對(duì)日本便攜式CD機(jī)和MD機(jī)很熟悉。在蘋果iPod問(wèn)世之前，這兩款轉(zhuǎn)盤式便攜播放器在我們這代人當(dāng)中很受熱捧，這批機(jī)子多數(shù)用的都是鎳氫電池，日本廠商喜歡稱之為“水素電池”。

　　為什么鎳氫電池占領(lǐng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)？還是因?yàn)槟芰棵芏鹊膯?wèn)題。

筆者還有一堆香口膠電池

　　鋰離子電池的能量密度足夠高，在安全性趨向于穩(wěn)定之后，戴爾率先在筆記本電腦上使用了鋰離子電池。2012年上市的特斯拉Model S，就是用7000多節(jié)筆記本鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的，如此變態(tài)的封裝技術(shù)和電控技巧，膝蓋獻(xiàn)上。

目前的鋰離子電池并不甚穩(wěn)定

　　不過(guò)，鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)目前并不是美國(guó)。早在2004年，中國(guó)鋰電池行業(yè)就已崛起，待至2008年終于形成中/日/韓三分天下的行業(yè)大局，這個(gè)態(tài)勢(shì)一直維持到現(xiàn)在。

　　正因?yàn)橛辛顺墒斓匿囯x子電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車在21世紀(jì)重新迎來(lái)了新生。大家可以點(diǎn)擊下方郭睿同事的文章《電動(dòng)車坎坷發(fā)展史（下）》進(jìn)行更深度的了解。

　　目前鋰離子電池行業(yè)主要有以下幾種解決方案：

　　1、三元鋰（鎳鈷錳酸鋰Li[Ni-Co-Mn]O₂或NCM）：當(dāng)今動(dòng)力電池行業(yè)用得最多的方案，其中用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Co鈷，用量已經(jīng)大幅下降（最低可以到1%左右），能量密度大增的NCM811高鎳電池將成為主流，但安全性有待考驗(yàn)。

　　2、磷酸鐵鋰（LiFePO₄）：比亞迪最愛的“鐵電池”（目前進(jìn)化成“刀片電池”），成本低，安全性好，壽命長(zhǎng)，能量密度低。

　　3、鈷酸鋰（LiCoO₂）：智能手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)最愛，能量密度高（能量型電池），壽命短，熱穩(wěn)定性差，比功率低。反正手機(jī)不會(huì)像車一樣用足10年，滿足大容量輕重量就行。

　　4、錳酸鋰（LiMn₂O₄）：用在電動(dòng)工具、醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車、混動(dòng)汽車之上，功率大，能量密度中等。

　　5、鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO₂或稱NCA）：運(yùn)用在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車（特斯拉等），類似鈷酸鋰，能量密度高（能量型電池），可以做到低鈷。

　　6、鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）：負(fù)極使用鈦酸鋰，運(yùn)用于UPS、便攜工具、電動(dòng)汽車（三菱iMiEV、飛度EV等），壽命長(zhǎng)，充電快，能量密度最低，價(jià)格高，卻是最安全的鋰離子電池。

　　電池技術(shù)瓶頸真的無(wú)法突破嗎？

　　跨越式發(fā)展暫時(shí)是沒(méi)有的，不針對(duì)中國(guó)，而是全球電池研發(fā)與生產(chǎn)均沒(méi)辦法進(jìn)行質(zhì)變式的突破，如果你看到有新聞?wù)f“充電速度縮減90%”、“能量密度增加200%”之類的新聞，99%是假的。

　　很難嗎？很難，因?yàn)橐粔K簡(jiǎn)單的電芯（基礎(chǔ)元件）需要受到多達(dá)6個(gè)維度的因素制約：循環(huán)壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區(qū)間、安全、成本。

　　6個(gè)維度的表現(xiàn)，就像是游戲里的“技能樹”，我們手中只有有限的技能點(diǎn)，不能讓所有維度的表現(xiàn)都全優(yōu)，除非你愿意用200萬(wàn)成本打造一臺(tái)15萬(wàn)家用車的電池組，以做慈善的方式促進(jìn)我國(guó)新能源事業(yè)發(fā)展。

　　根據(jù)J.D.Power發(fā)布的《2020中國(guó)新能源汽車體驗(yàn)研究SM（NEVXI）》，中國(guó)電動(dòng)汽車用戶的續(xù)航期望值是554.4km，目前市面上的電動(dòng)汽車平均值是366.1km。理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。

　　A、電池能量密度太低（續(xù)航差）

　　B、電池安全性不佳（總是燒）

　　C、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（礙事）

　　D、電池價(jià)格過(guò)高（車價(jià)高）

　　四座大山立在電動(dòng)汽車消費(fèi)者面前，跨不過(guò)去，就永遠(yuǎn)無(wú)法完全替代使用汽柴油燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車，即使我們有再大的愿景和決心。

　　電池的未來(lái)是怎樣的？實(shí)話實(shí)說(shuō)，沒(méi)人知道，即使像古迪納夫博士這種用“上帝視角”看人類的大神也無(wú)法直接回答。

　　下面有數(shù)種技術(shù)路線，大家多少也聽過(guò)一些：

　　前兩年，石墨烯概念炒得比綠水鬼還火，各種真假新聞充斥網(wǎng)路。實(shí)際上，石墨烯并不能像那些媒體人說(shuō)的那樣大大增加電池能量密度，它只是相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器，在理論上可以提升充放電速率而已。

　　但石墨烯真的是一個(gè)徹底的騙局嗎？也不全是。

　　相比于在鋰離子電池中的運(yùn)用，石墨烯更有希望在超級(jí)電容中使用，其堪稱變態(tài)的充放電效率可以讓充放電成為一種享受。

　　問(wèn)題是，超級(jí)電容器的能量密度只有鋰離子電池的1/10左右，所以使用超級(jí)電容器充當(dāng)動(dòng)力電池部分的電動(dòng)汽車只有極短的續(xù)航，當(dāng)一下園區(qū)內(nèi)的接駁巴士還成。

　　發(fā)布無(wú)鈷電池概念（非磷酸鐵鋰）的“蜂巢能源”，前身是長(zhǎng)城汽車動(dòng)力電池事業(yè)部，自2012年起開展電芯研制，2018年2月獨(dú)立，總部在江蘇無(wú)錫。上一年7月，蜂巢能源發(fā)布了無(wú)鈷電池和四元電池的“概念”。為什么說(shuō)是概念呢？因?yàn)橹两襁€沒(méi)有更多消息露出。

　　因?yàn)榈厍蛏咸矫鞯拟挾鄶?shù)都在剛果（金），最瘋狂的時(shí)候從20萬(wàn)一噸漲到60萬(wàn)，低鈷或者無(wú)鈷才是出路。

　　據(jù)蜂巢能源介紹，無(wú)鈷材料性能可以達(dá)到NCM811同等水平，材料成本降低5~15%，相應(yīng)帶來(lái)的電芯BOM成本可以降低約5%，且會(huì)讓材料不受戰(zhàn)略資源影響。

　　蜂巢能源稱這款產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程進(jìn)展順利，年底前將完成材料開發(fā)，2020年3月完成材料體系的進(jìn)一步優(yōu)化，2020年8月體系定型，2021年11月將實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷電芯的SOP。

　　鈷可以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鎳則提升容量，集中力量開發(fā)高鎳化動(dòng)力電池已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)，但是更高的能量密度也伴隨著更活潑的化學(xué)性能，安全性能是整個(gè)行業(yè)必須要正視的問(wèn)題。

　　在此背景上，蜂巢能源開發(fā)出四元正極材料，并基于該材料發(fā)布了全球首款四元材料電芯，其循環(huán)性能優(yōu)于目前市場(chǎng)上常見的NCM811材料，可以做到容量更高、壽命更長(zhǎng)、安全性更好。

　　據(jù)悉，四元材料電芯項(xiàng)目于2018年9月立項(xiàng)，將在2019年底前完成材料開發(fā)，預(yù)計(jì)將于2020年12月實(shí)現(xiàn)材料SOP，將在2022年11月實(shí)現(xiàn)基于四元材料的電芯SOP。

　　全固態(tài)電池就是電芯里面沒(méi)有流體（液體/氣體）的電池。因?yàn)閮?nèi)部全面采用固體結(jié)構(gòu)，同樣容量下的全固態(tài)電池比目前里頭包著電池液的鋰離子電池要更加輕薄，這意味著全固態(tài)電池的能量密度遠(yuǎn)高于一般鋰離子電池了。

　　目前在一些實(shí)驗(yàn)室中，研究人員已經(jīng)試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池。一旦大批量生產(chǎn)，只要平均價(jià)格能下去，電動(dòng)車的續(xù)航能力將有望突破1000km，這可是柴油車才有可能挑戰(zhàn)的大限。

　　再往更高處想一下，足夠輕、足夠大容量的全固態(tài)電池低價(jià)鋪貨之后，電動(dòng)飛機(jī)是不是要成為現(xiàn)實(shí)了呢？

　　更重要的是，全固態(tài)電池接下來(lái)還有望進(jìn)化成柔性電池，可以適應(yīng)未來(lái)可穿戴設(shè)備的電池需求。誰(shuí)家先突破，誰(shuí)家就要先賺翻。

　　只不過(guò)，固態(tài)電池有一個(gè)很大的問(wèn)題，那就是很難實(shí)現(xiàn)快充。這是物理短板，基本無(wú)法突破的。

　　古迪納夫博士研發(fā)了當(dāng)今鋰離子電池領(lǐng)域的三大正極材料，目前業(yè)界的負(fù)極材料多用碳素材料（好消息是中國(guó)石墨儲(chǔ)量占全球70%），非碳負(fù)極材料則有四大系列，包括硅基材料。

　　硅的理論容量超過(guò)石墨10倍以上，造成電池的話有望提升大約50%的能量密度。

　　此前的學(xué)者都不知道硅那么好用嗎？都知道，只是解決不了硅基材料體積膨脹的問(wèn)題。

　　石墨與硅的充放電機(jī)理不同，石墨是鋰的嵌入和脫嵌，硅則是合金化反應(yīng)，硅的脫嵌鋰反應(yīng)會(huì)令其體積膨脹3倍，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞之后，就沒(méi)后文了。

　　此前特斯拉曾經(jīng)放風(fēng)要發(fā)布一款基于硅納米線負(fù)極打造的電池，業(yè)界先鋒企業(yè)Amprius利用微小的碳納米線（A4紙厚度的1/1000）儲(chǔ)藏鋰，硅納米線與鋰結(jié)合之后不會(huì)破裂。

　　鋰離子電池首次充電時(shí)會(huì)形成SEI膜（固體電解質(zhì)界面），消耗掉大量來(lái)自電極材料的鋰離子，雖然降低了內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)、防止溶劑分子的共嵌入（提升循環(huán)壽命），但也因此降低了總?cè)萘俊榇?，我們可以通過(guò)預(yù)鋰化對(duì)電極材料進(jìn)行補(bǔ)鋰，抵消SEI膜的鋰離子消耗，從而提高電池的總?cè)萘亢湍芰棵芏取?/p>

　　用人話來(lái)說(shuō)就是：茄子太吸油，所以我們炒茄子時(shí)多放油……

　　預(yù)鋰化技術(shù)有很多個(gè)方向，其中正極補(bǔ)鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等，負(fù)極補(bǔ)鋰可以使用鋰箔補(bǔ)鋰、硅化鋰粉等等，在此不作展開。

　　2015年，鋁離子電池領(lǐng)域突發(fā)一個(gè)新聞，斯坦福大學(xué)和湖南大學(xué)的幾位教授在《自然》上發(fā)表了一篇?jiǎng)?chuàng)新性鋁離子電池的研究報(bào)告，聲稱鋁離子電池有潛力做到充電1小時(shí)（超充）、用電3-4天（高容量）。

　　很明顯，這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的雛形，距離成品還有一個(gè)跟斗云的距離。5年過(guò)去了，沒(méi)后續(xù)，暫時(shí)別想了。

　　氯離子電池、氟離子電池、鈉離子電池……

　　電池的研發(fā)過(guò)程就是在元素周期表大海撈針的過(guò)程，全球研發(fā)人員對(duì)此的試驗(yàn)次數(shù)以“億次”為基本單位。

　　此外，無(wú)極耳設(shè)計(jì)（剛剛發(fā)布，如下圖）、CTP設(shè)計(jì)（比亞迪刀片電池）、4680電芯（算是特斯拉的CTP技術(shù)）

　　隨著電池的不斷進(jìn)化，極度追求輕量化的無(wú)人機(jī)成為了現(xiàn)實(shí)，鋰電池潛艇成為了現(xiàn)實(shí)（日本已有下水案例），伊隆·馬斯克也曾表示：一旦電池能量密度達(dá)到400Wh/kg的時(shí)候，電動(dòng)飛機(jī)將成為可能。

　　筆者認(rèn)為，化石能源將在核聚變發(fā)電技術(shù)商用化之后變得無(wú)足輕重，人類接下來(lái)面臨的問(wèn)題不再是能源短缺，而是如何儲(chǔ)藏取之不盡用之不竭的電能。

　　答案依然是——偉大的電池！

　　核電站不是說(shuō)開就開、說(shuō)停就停，功率也不能隨著實(shí)際用電負(fù)荷進(jìn)行快速反應(yīng)，因此除了陪火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰之外，還可以在核電站選址時(shí)就找到一個(gè)高于核電站的上水庫(kù)來(lái)儲(chǔ)能。

　　抽水儲(chǔ)能可以說(shuō)是大容量電能儲(chǔ)藏的最古典打法了。多余的電能用于抽“下水庫(kù)”的水到“上水庫(kù)”，將電能變?yōu)橹亓?shì)能儲(chǔ)藏，需要用電時(shí)倒流發(fā)電，這或許是地球上最大的“電池”了。

　　飛輪儲(chǔ)能的構(gòu)想誕生得很早，但材料科學(xué)大躍進(jìn)之后的20世紀(jì)才有真正的發(fā)展，NASA在60年代開始將飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)用作儲(chǔ)電系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星之上。

　　飛輪儲(chǔ)能的原理也足夠簡(jiǎn)單，就是在電力富余的時(shí)候用電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成飛輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，反之既是發(fā)電過(guò)程。

飛輪儲(chǔ)能占地小，能量密度大，功率密度大，但持續(xù)時(shí)間太短了，用作UPS、賽車動(dòng)力系統(tǒng)臨時(shí)儲(chǔ)電還差不多，此外還可以給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰（風(fēng)力發(fā)電組+內(nèi)燃機(jī)組+飛輪儲(chǔ)能），要用作長(zhǎng)時(shí)間電能輸出那是不合理的。

　　電力富余時(shí)，用電將空氣壓縮儲(chǔ)藏在儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣室、洞穴當(dāng)中，用電時(shí)釋放出來(lái)進(jìn)入燃燒室，配合燃料驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

　　壓縮空氣的壓力通?？梢赃_(dá)到70-100bar，而高壓空氣對(duì)于內(nèi)燃機(jī)燃燒而言可是正兒八經(jīng)的寶貴資源。

　　目前壓縮空氣儲(chǔ)能要改進(jìn)的一大重點(diǎn)就是有效利用好壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，這樣子才能提升壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的整理效率。目前有一項(xiàng)技術(shù)叫做絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（AA-CAES），暫未實(shí)用化。

　　比較典型的“車電互聯(lián)”Vehicle-to-Grid案例就是蔚來(lái)不久之前推出的“反向換電”（威馬目前也有V2G項(xiàng)目落地），用戶將充滿的電池運(yùn)到換電站換走當(dāng)前最低電量的那塊電池，而這個(gè)概念其實(shí)不是蔚來(lái)開創(chuàng)的，而是美國(guó)特拉華大學(xué)的Kempton和Letendre在1997年提出。

　　設(shè)想是很好的，V2G的確可以幫助整個(gè)電動(dòng)汽車社會(huì)削峰填谷，問(wèn)題是目前動(dòng)力電池的循環(huán)壽命太珍貴了，1000個(gè)充放電循環(huán)下來(lái)，多數(shù)鋰離子電池的性能都會(huì)大大削減（對(duì)于電動(dòng)汽車體驗(yàn)而言），電網(wǎng)/車企給予的V2G補(bǔ)貼又無(wú)法填平動(dòng)力電池循環(huán)壽命的坑。

　　除非電池循環(huán)壽命能到達(dá)4000次甚至更多，否則V2G技術(shù)只能算是一種“為愛發(fā)電”的行為藝術(shù)……

　　首先聲明一點(diǎn)：“氫燃料電池”不是一種電池，而是一種換能裝置，可以類比汽柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　充當(dāng)“電池”角色的是儲(chǔ)氫罐，這是一種高壓設(shè)備，技術(shù)含量很高，造起來(lái)一點(diǎn)都不比目前的三元鋰電池容易。下方文章《以氫氣召喚未來(lái)》是筆者在5年前寫的一篇?dú)淙剂想姵剀嚰夹g(shù)原理與行業(yè)分析。

　　文章太長(zhǎng)太枯燥，我用人話來(lái)解讀：電很難儲(chǔ)藏起來(lái)，所以將能量轉(zhuǎn)化成氫氣方便保存，像汽柴油一樣運(yùn)到各地的加氫站，車輛用氫燃料電池進(jìn)行發(fā)電。

　　“電”并不新，但全新的電能生產(chǎn)模式、電能儲(chǔ)藏模式、電能運(yùn)輸模式、電能消費(fèi)模式，卻是指引未來(lái)生活（不單指汽車生活）的重要因素，通過(guò)質(zhì)子交換膜獲取氫氣中所儲(chǔ)電能的高效、環(huán)保、安全方法，更值得大財(cái)團(tuán)投入研發(fā)資金。

　　我們不敢肯定未來(lái)社會(huì)一定是屬于“氫”的，氫燃料電池車甚至可能在成本無(wú)法大幅降低、加氫站網(wǎng)絡(luò)無(wú)法鋪開、制氫與儲(chǔ)氫技術(shù)無(wú)法突破等壓力下退出市場(chǎng)成為歷史，但有一點(diǎn)是肯定的：氫能社會(huì)所代表的“環(huán)保”理念是真正的環(huán)保（反面例子是半噸電池上身還敢說(shuō)自己“環(huán)保”的純電動(dòng)車），整個(gè)氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的副產(chǎn)品只有“水”——我們的生命之源。

　　人類在18世紀(jì)學(xué)會(huì)了電的使用與儲(chǔ)藏，與當(dāng)年直立人學(xué)會(huì)用火一樣擁有史詩(shī)般的意義。電池技術(shù)經(jīng)過(guò)19世紀(jì)與20世紀(jì)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今世界已經(jīng)徹底離不開電池了。

　　小如無(wú)線耳機(jī)，大如純電公交；低如彈道導(dǎo)彈潛艇，高如登月火箭；近如外賣小車，遠(yuǎn)如越洋船舶……電池成為了驅(qū)動(dòng)世界的一股不可或缺的中堅(jiān)力量。

　　在潛力無(wú)限的核聚變發(fā)電技術(shù)促成下，未來(lái)世界更需要儲(chǔ)電技術(shù)的支撐。

　　真正環(huán)保的氫氣儲(chǔ)電，或許是我們的最終答案。

（文：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂(lè)）