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(zhì)軟金屬元素，也是密度最小的金屬，可用于原子反應(yīng)堆、制輕合金及電池等。由于它在原子能工業(yè)上的獨特性能，人稱它為“高能金屬”。還有，鋰已經(jīng)成為當(dāng)今高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的保障性資源和戰(zhàn)略性資源之一，被譽為“21世紀(jì)最有應(yīng)用潛力的金屬”。

在能源交通領(lǐng)域，鋰最大的應(yīng)用就是電池?！颁囯姵亍备拍钭钤缬蒅ilbert 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(zhì)溶液的電池：充電時正極的化合物釋放出鋰離子嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中，放電時鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出。鋰電池因重量輕、能量大、使用壽命長（4～5年）、環(huán)保、使用溫度寬等特點而備受青睞。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷升級與發(fā)展，鋰電池的用途也變得越來越廣泛，現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)向采購?fù)赓Y品牌，或進(jìn)入三元鋰電池研究領(lǐng)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(jù)實際需要調(diào)整。

鋰電池的關(guān)鍵參數(shù)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(shù)，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(yīng)的市場優(yōu)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(yōu)缺點，應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域三元鋰電池也替代了鈷酸鋰電池。

科學(xué)無止境，為使電動車獲得更長的續(xù)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(jìn)行。

首先來看看日本的技術(shù)。在日本，兩大電動車制造商——豐田汽車公司（Toyota Motor Corporation）與日產(chǎn)（NISSAN）正致力于研發(fā)新的電池技術(shù)：豐田認(rèn)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(jīng)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(zhì)，其鎂元素基礎(chǔ)化學(xué)電池可在未來的20年內(nèi)面世；而日產(chǎn)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(xué)和豐田中央研究所共同開發(fā)出一種以鋅為負(fù)極的蓄電池的新技術(shù)。鋅是一種較為廉價、常見一次性電池的負(fù)極材料，但反復(fù)充電后會在負(fù)極表面形成針狀物質(zhì)（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(shù)實現(xiàn)了使鋅在充電時產(chǎn)生的針狀物質(zhì)朝著不破壞電池的方向延展，實現(xiàn)反復(fù)充電。它沒有易燃易爆風(fēng)險，性能與現(xiàn)下的鋰電池相當(dāng)，但生產(chǎn)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(xué)院金屬研究所以天然棉花為前驅(qū)體，制成超高面容量鋰硫電池正極。這種復(fù)合電極在循環(huán)150次之后，可實現(xiàn)70%的容量保持率。這不僅展示了以天然物質(zhì)為原料制備高導(dǎo)電性碳材料的方法，還提出了抑制鋰硫電池“穿梭效應(yīng)”的新思路，為開發(fā)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(xué)劉生忠教授和楊棟博士團(tuán)隊，運用固態(tài)離子液體作為電子傳輸材料，制備出效率達(dá)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(wèi)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(zhàn)，氫燃料電池車的出現(xiàn)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(chǎn)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(tài)環(huán)保的清潔能源。氫燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）靠氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動，與純電動汽車相比，它有加氫時間短、續(xù)航里程長、零碳排放等優(yōu)點，因此被認(rèn)為是未來理想的電動汽車類型。

不少發(fā)達(dá)國家都將氫能和燃料電池作為未來發(fā)展重點。2014年5月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布了《氫燃料電池車普及促進(jìn)策略》，將氫燃料、氫燃料電池車相關(guān)的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)引入日本國內(nèi)，并將其作為國內(nèi)氫燃料電池車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎn)等企業(yè)也在積極推出自己的燃料電池車型，加氫站的建設(shè)也逐漸提速。2016年4月，日本發(fā)布新的氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖，估計到2020年日本燃料電池車的銷售可達(dá)到約4萬輛，2025年達(dá)到約20萬輛，加氫站也將從現(xiàn)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(jīng)制定了電動汽車促進(jìn)法草案。按照德國政府的設(shè)想，至2020年，德國上路的電動車數(shù)量要達(dá)到100萬輛。盡管在2014年初，在德國上牌的電動車數(shù)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(dá)到85、71萬輛。

我國在氫能開發(fā)利用領(lǐng)域也具備了一定的基礎(chǔ)，在制氫、儲存氫等部分環(huán)節(jié)位居世界前列。例如：2016年5月30日聯(lián)合國開發(fā)計劃署在北京東三環(huán)的聯(lián)合國大樓舉辦了“中國未來環(huán)保汽車技術(shù)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(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到600～700公里，與傳統(tǒng)的燃油車非常接近。

目前，燃料電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，燃料電池車已經(jīng)從開發(fā)階段進(jìn)入了市場導(dǎo)入階段。當(dāng)然，現(xiàn)在氫燃料電池車的售價不具有優(yōu)勢，售價至少是普通汽車的兩三倍，主要原因是未形成生產(chǎn)規(guī)模、批量制氫困難等。不過，豐田公司稱其氫燃料電池系統(tǒng)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(dāng)。所以，如果鋰電池技術(shù)固步自封、不再加快創(chuàng)新發(fā)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。