快跑，鋰電池

■ 孟 迪

綠色話題

快跑，鋰電池

■ 孟 迪

在電影《親密敵人》中，一對分手但還彼此留戀的情侶，分別身處敵對的兩家投資銀行，為了一場收購鋰資源的競爭而在職場上針鋒相對，短兵相接。在熱映的電影中都加入了鋰元素，足見人們對鋰的重視程度。

鋰能做些什么呢？

鋰（Li）是一種銀白色的質軟金屬元素，也是密度最小的金屬，可用于原子反應堆、制輕合金及電池等。由于它在原子能工業上的獨特性能，人稱它為“高能金屬”。還有，鋰已經成為當今高新產業發展的保障性資源和戰略性資源之一，被譽為“21世紀最有應用潛力的金屬”。

在能源交通領域，鋰最大的應用就是電池。“鋰電池”概念最早由Gilbert N. Lewis在1 91 2年提出，是一類由鋰金屬或鋰合金為正極材料、使用非水電解質溶液的電池：充電時正極的化合物釋放出鋰離子嵌入負極分子排列呈片層結構的碳中，放電時鋰離子則從片層結構的碳中析出。鋰電池因重量輕、能量大、使用壽命長（4～5年）、環保、使用溫度寬等特點而備受青睞。隨著科學技術的不斷升級與發展，鋰電池的用途也變得越來越廣泛，現在馬路上行駛的新能源汽車多是鋰電池汽車。

鋰離子電池的正極材料有多種，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等，目前國內新能源汽車主要使用的是磷酸鐵鋰電池。在特斯拉帶紅了松下的三元鋰電池之后，自主品牌也都開始轉向采購外資品牌，或進入三元鋰電池研究領域。三元鋰電池是指用鎳鈷錳酸鋰三元材料作為正極的鋰電池，鎳、鈷、錳的比例可以根據實際需要調整。

鋰電池的關鍵參數是能量密度Wh/ kg。特斯拉所使用的1 8650電池，能量密度是1 50Wh/kg，其model S的85度電版，車重21 00kg，電池自重便有600kg之多，占了整車重量將近30%。不同的鋰電池技術，其能量密度也有比較大的不同。磷酸鐵電池的能量密度約100Wh/kg，這意味著同樣的電池重量情況下，18650電池比鐵電池可以多儲存近50%的電量。所以比亞迪e6的電池雖然也有600kg，但由于更小的鐵電池能量密度，其電量只有60Wk·h。目前的鋰電池能量密度，使得電動車比同樣配置的燃油車要重很多。

總體上講，磷酸鐵鋰電池的理論能量密度有限，單體能量密度為120Wh/kg，成組后能量密度為80Wh/ kg；而三元電池（即三元材料電池）能量密度較高，單體能量密度為180Wh/kg，成組后110Wh/kg，相應的市場優勢明顯。但是三元電池的安全性沒有磷酸鐵鋰電池高，因此兩者各有優缺點，應用領域有所不同。目前國際上電動汽車電池以三元鋰電池為主，在筆記本領域三元鋰電池也替代了鈷酸鋰電池。

科學無止境，為使電動車獲得更長的續航里程和更出色的性能，人們在動力電池方面的研究一直都在進行。

首先來看看日本的技術。在日本，兩大電動車制造商——豐田汽車公司（Toyota Motor Corporation）與日產（NISSAN）正致力于研發新的電池技術：豐田認為鎂元素較鋰元素更安全，而且還可以允許密集能量儲存，并已經尋找到一種方法，通過利用儲氫器中所使用材料來制造鎂電解質，其鎂元素基礎化學電池可在未來的20年內面世；而日產則想在電池中摻入一種“非晶一氧化硅”的添加劑，以使電池保留更多的鋰離子，提升電池總體性能，盡管到目前為止依然沒有找出利用“非晶一氧化硅”的方法。

還有，美國斯坦福大學和豐田中央研究所共同開發出一種以鋅為負極的蓄電池的新技術。鋅是一種較為廉價、常見一次性電池的負極材料，但反復充電后會在負極表面形成針狀物質（這將破壞電池性能），因而用鋅制成的電池很難用作蓄電池。該項技術實現了使鋅在充電時產生的針狀物質朝著不破壞電池的方向延展，實現反復充電。它沒有易燃易爆風險，性能與現下的鋰電池相當，但生產和儲存成本較低，價格不到鋰電池的一半。

我國在提高電池性能方面也取得了一些成果。中國科學院金屬研究所以天然棉花為前驅體，制成超高面容量鋰硫電池正極。這種復合電極在循環150次之后，可實現70%的容量保持率。這不僅展示了以天然物質為原料制備高導電性碳材料的方法，還提出了抑制鋰硫電池“穿梭效應”的新思路，為開發高性能、高面容量的鋰硫電池開辟了新的途徑。

我國柔性鈣鈦礦太陽能電池已突破世界最高效率。陜西師范大學劉生忠教授和楊棟博士團隊，運用固態離子液體作為電子傳輸材料，制備出效率達到1 6.09%的柔性鈣鈦礦太陽能電池，而且可以制備成柔性器件，如汽車玻璃、屋頂、人們的背包、衣服、船舶、衛星等，綠色能源將無處不在。

除了這些來自金屬新材料方面的挑戰，氫燃料電池車的出現也讓鋰電池電動車壓力“山”大。

氫氣（H2）是一種燃燒熱值高、二氧化碳（CO2）零排放的二次能源，每千克氫氣燃燒產生的熱量約是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，是一種非常生態環保的清潔能源。氫燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）靠氫氣和氧氣發生化學反應轉換成電能驅動，與純電動汽車相比，它有加氫時間短、續航里程長、零碳排放等優點，因此被認為是未來理想的電動汽車類型。

不少發達國家都將氫能和燃料電池作為未來發展重點。2014年5月，日本經濟產業省發布了《氫燃料電池車普及促進策略》，將氫燃料、氫燃料電池車相關的國際技術標準引入日本國內，并將其作為國內氫燃料電池車行業標準。2014年12月15日，豐田首款氫燃料電池車Mirai正式上市，本田、日產等企業也在積極推出自己的燃料電池車型，加氫站的建設也逐漸提速。2016年4月，日本發布新的氫能和燃料電池戰略路線圖，估計到2020年日本燃料電池車的銷售可達到約4萬輛，2025年達到約20萬輛，加氫站也將從現在的80座增加到2025年的320座。德國政府也將希望寄托在電動車上，已經制定了電動汽車促進法草案。按照德國政府的設想，至2020年，德國上路的電動車數量要達到100萬輛。盡管在2014年初，在德國上牌的電動車數量僅為1.2萬輛。美國等國家也在積極推動本國的氫能與燃料電池計劃。德勤咨詢估計，2025年美國和歐洲的氫燃料電池車將分別達到85、71萬輛。

我國在氫能開發利用領域也具備了一定的基礎，在制氫、儲存氫等部分環節位居世界前列。例如：2016年5月30日聯合國開發計劃署在北京東三環的聯合國大樓舉辦了“中國未來環保汽車技術展示”活動，全面介紹了氫燃料電池客車，12米長的純電動客車完全充電需5小時，而氫燃料電池完全充氫僅需10分鐘；福田歐輝的人員表示，氫燃料電池汽車的續航里程已經達到600～700公里，與傳統的燃油車非常接近。

目前，燃料電池在交通領域的應用日趨成熟，燃料電池車已經從開發階段進入了市場導入階段。當然，現在氫燃料電池車的售價不具有優勢，售價至少是普通汽車的兩三倍，主要原因是未形成生產規模、批量制氫困難等。不過，豐田公司稱其氫燃料電池系統單價成本已大幅下降，到2020年可降至與目前普通混合動力車售價相當。所以，如果鋰電池技術固步自封、不再加快創新發展的步伐，純電動車新能源汽車的“第一”寶座可能不久就會“易主”了。