近期科技部發布了《國家重點研發計劃新能源汽車重點專項實施方案(征求意見稿)》，明確提出動力電池的單體比能量2015年底達到200瓦時/公斤，2020年達到300瓦時/公斤。

 

　　眾所周知，當前各種不同材料的鋰電池單體比能量最高也就在200瓦時/公斤，這已經是部分鋰電池的極限，而單體比能量300瓦時/公斤已經超出了部分鋰電池的理論值。未來鋰電池究竟該走向何方？

 

　　技術在進步 但缺乏革命性改變

 

　　回首過往十年，鋰電池技術在不斷進步，最為明顯的感受就是電池容量明顯增加了。用過筆記本電腦的人都知道，2005年筆記本電腦的續航時間一般都在2個小時左右，差點只有1個小時，而現在筆記本電腦的續航時間普遍在5個小時以上，有的甚至可以達到10個小時。

 

　　技術進步的另一明顯好處就是價格在不斷下滑。價格下滑使得鋰電池的應用領域在不斷擴大，擠占鎳氫、鎳鎘、鉛酸等二次電池的市場。

 

　　其他方面的進步還包括：電池種類不斷豐富，聚合物鋰電池開始占據行業主導地位，方形、圓柱形、軟包電池逐步形成三足鼎立之勢；充電時間明顯縮短，10年前一塊手機電池充滿需5-6個小時，現在一般只要2-3個小時，這還是在容量翻倍的情況下……

 

　　客觀來看，鋰電池在這十年間的技術進步的確很大，但缺乏革命性的改變。鋰電池與10年前沒有兩樣：結構沒有發生變化，主要配套材料基本沒有變化。尤其是正極材料還與10年前一樣，還是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰這四種。有變化的只是不同材料的市場占比，10年前是鈷酸鋰的天下，現在則是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰四分天下。

 

　　LiCoPO4、Li3V2(PO4)3等高電壓以及高比能量正極材料報道屢見不鮮，硅負極、金屬負極等能夠解決一切問題的新型負極材料頻繁見諸報端，石墨烯、碳納米管等新材料應用于鋰電池也經常出現在媒體頭條，玻璃陶瓷、離子液體等新型電解質層出不窮。能量密度更高、單位成本更低、循環次數更多、充電速度更快……論文有很多，投資也很大，但實際產品卻還沒有。

 

　　然而，下游應用市場正在發生根本性變化，手機已經完成了從功能手機到智能手機的變革，平板電腦盡管還不能取代筆記本電腦，但已經占領了部分市場，電動汽車的興起正在引領汽車革命，可穿戴設備正在快速興起，這些都對鋰電池提出了更高的要求。

 

　　事實是，目前鋰電池還達不到智能手機、電動汽車提出的要求。2005年手機電池容量只有1000mAh左右，其待機時間可以輕松到1周，正常使用2天沒有問題，而現在容量達到3000mAh的手機待機時間能有2天就不錯了，實際用起來連一天都堅持不了。

 

　　作為消費電子產品，手機充電非常方便，不管是在家還是在單位都很容易解決。而移動電源的出現進一步解決了外出無法充電難題，所以手機電池問題還不是很突出。

 

　　但電動汽車就完全不一樣了。大部分電動汽車的續航歷程只有200公里左右，這與內燃機汽車500-600公里的續航歷程相比差距甚遠，就算是特斯拉也只能達到400公里，這是增加了大量鋰電池的結果。

 

　　這還不是最大的問題，真正影響電動汽車使用的還是充電時間長、充電設施嚴重不足。正常速度下，電動汽車的動力鋰電池完全充滿需要4-8個小時。如果加快速度的話，可以在1-2小時內充滿，但會影響到動力鋰電池的性能及壽命。

 

　　已有實驗證明，如果一直采用快速充電，動力鋰電池的壽命會驟減至原來的三分之一，且電池性能會顯著下滑，安全事故發生概率大大增加。內燃機汽車則不存在這樣的問題，加油或者加氣時間不超過5分鐘，安全性和穩定性都能夠保證，加上現在加油站非常普遍，使用非常快捷方便。更為重要的是，鋰電池作為汽車動力的成本太高，已經占到電動汽車總成本的一半左右。

 

　　體系嚴密 牽一發而動全身

 

　　鋰電池看起來結構非常簡單，正極材料、負極材料、隔膜和電解液，再加上電極。事實上，別看它不起眼，鋰電池材料體系非常嚴密，真正是牽一發而動全身。如果要動它哪怕一分一毫，假設只是一個電極換成新材料，沒有長年累月的測試，誰也不敢打包票。

 

　　鋰電池從上世紀七十年代問世，到九十年代由索尼實現量產，再到今天鋰電池已經誕生了近半個世紀，材料體系發生了較大變化。正極材料從最初的鈷酸鋰發展到現在的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰并行，可謂是進步不小。

 

　　但實際上每種正極材料從發明到實際應用再到鋰電池量產，至少花費了上十年時間。每種正極材料的改變，就算不改變負極材料，其電解液的組成以及隔膜都要做出相應改變，以達到最佳匹配效果，同時還要經過長時間的安全測試，驗證其安全性，最后還要經過產業化過程，這樣才能步入市場。不僅如此，其還需要市場檢驗和客戶認可，同樣需要花費時間。這也是現在鋰電池材料研究非常熱火，各種新材料、新技術報道層出不窮，而鋰電池本身進步緩慢，材料體系基本沒有變化的根本原因。

 

　　相比較而言，在不動鋰電池材料體系的情況下，在制造工藝以及電池管理技術上改進就容易得多。軟包電池的出現以及鋰電池容量不斷提升就是制造工藝技術不斷進步的結果。

 

　　同時，為了滿足可穿戴設備等新產品的需求，松下開發出直徑為3.5mm、長度為1cm的針型鋰電池，三星則推出了直徑3.6mm、長約20mm的超小型Pin電池。隨著智能手機柔性化趨勢凸顯，各種柔性、可彎曲鋰電池產品相繼問世。在電池管理技術方面，特斯拉是其中的典范，其先進的電池管理技術，創造性將超過6000個圓柱型鋰電池單體通過串并聯方式成組，成功降低了電池成本，提高了儲能效率，為特斯拉引領電動汽車變革奠定了基礎。

 

　　未來路在何方

 

　　盡管特斯拉為電動汽車發展提供了全新的發展思路，但只是治標不治本，在鋰電池性能沒有明顯提升的情況下，電動汽車想大規模推廣難度非常大。那么問題來了，鋰電池性能如何進一步提升？未來向什么方向發展？

 

　　筆者認為，應用市場需求是帶動鋰電池進步最大的力量。二次電池的發展歷史充分證明了這一點，鎳鎘、鎳氫等電池的興起在于小型消費電池產品市場的帶動，而衰落也在于這一市場被鋰電池所蠶食。

 

　　鉛酸電池能夠占據二次電池最大市場份額，在于其占據汽車啟動電池市場，這也是其經久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的應用市場，鉛酸電池技術進步十分有限，同時還面臨著鋰電池的強力競爭。

 

　　當前，鋰電池已經完全占據消費電子產品市場。隨著消費電子產品不斷發生變革，鋰電池也在不斷進步。由于目前還沒有出現能夠在消費電子產品市場與鋰電池競爭的二次電池，鋰電池還將占據消費電子產品市場很長一段時間。

 

　　同時，鋰電池正在逐步打開在電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池市場，為其未來技術進步提供了良好的動力，再加上其競爭對手燃料電池、液流電池等新型電池還處于起步階段，離產業化還有一段距離，這為鋰電池技術變革提供了難得的歷史機遇期。

 

　　因此，筆者認為，鋰電池未來發展方向應該瞄準動力電池、儲能電池，在競爭對手尚未發展起來的機遇期，通過提高電池比能量、降低生產成本、增加循環次數，積極占領汽車動力市場，拓展儲能市場，擠占鉛酸電池市場空間，利用產業化優勢對燃料電池、液流電池等新型電池產業化進程造成影響，進而搶占有利競爭地位。

 

　　要實現上述目標，最根本還在于鋰電池實現革命性變化。從當前鋰電池的材料結構看，正極材料已經成為制約其性能提升的最關鍵因素。

 

　　不管是現在已經產業化的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰，還是在研究當中的各種新型正極材料，都存在局限性：一是理論比能量有限，相對于負極材料而言；二是實際比能量和理論值還有較大差距；三是鋰電池充電時間過快的話就易造成正極材料結構發生變化。因此，筆者認為要實現鋰電池革命性變化，必須首先突破正極材料的限制。

 

　　一方面是繼續開發全新的正極材料，具備工作電壓高、理論和實際比能量高、溫度特性好、材料來源豐富、循環壽命長、安全可靠、成本較低等特性，從材料特性以及過往的正極材料研究歷史看，要實現這一點難度非常之大，10年、20年內完成的可能性極低。

 

　　二是充分發揮現有正極材料的潛力，創造性運用以納米技術為代表的新材料制備技術以及碳納米管、石墨烯等新材料，通過對現有正極材料改性、包覆等手段，改進現有正極材料制備工藝，解決當前正極材料存在的實際比能量低、充電時間長、生產成本高等問題，加快鋰電池在動力市場、儲能市場的應用。

 

　　筆者認為第二種方法實現的可能性較大，一是它不需要對現有鋰電池材料體系做大的改變，只需要細微調整，難度低、時間短；二是納米技術等新技術和碳納米管、石墨烯等新材料正在不斷成熟，為其在鋰電池中的應用奠定了很好的基礎。

 

　　一旦正極材料實現突破，也必然要求鋰電池整個材料體系發生變化，只有這樣才能實現鋰電池性能根本性提升。當然，隔膜、電解液要實現突破也是存在難度的，相較而言，負極材料突破的難度就小得多。另外，電池制備技術和電池成組技術進步也是必要的，這也是提升鋰電池比能量以及降低成本的重要因素。