中國儲能網(wǎng)訊：隨著數(shù)碼類電子產(chǎn)品和動力儲能類產(chǎn)品的得到廣泛應(yīng)用與普及，過去數(shù)十年里全球鋰離子電池市場快速發(fā)展壯大。近幾年，受新能源汽車市場持續(xù)高速擴(kuò)張的推動，中國鋰離子動力電池需求猛漲市場規(guī)模繼續(xù)保持高速增長，動力電池逐步成為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的主要增長引擎。
當(dāng)前，中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)正迎來巨大的市場機(jī)遇，但是同時也面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，中國鋰電池產(chǎn)業(yè)如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，如何進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈更加深入地協(xié)同整合和技術(shù)創(chuàng)新，則是廣大鋰電界同仁需要認(rèn)真思考的問題。
在這個系列文章里，筆者將與廣大讀者探討鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)推動因素、經(jīng)濟(jì)全球化背景下國際鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)和趨勢，以及中國鋰電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展模式與展望，希望能夠在中國鋰電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。
隨著數(shù)碼類電子產(chǎn)品和動力儲能類產(chǎn)品的得到廣泛應(yīng)用與普及，過去數(shù)十年里全球鋰離子電池市場快速發(fā)展壯大。近幾年，受新能源汽車市場持續(xù)高速擴(kuò)張的推動，中國鋰離子動力電池需求猛漲市場規(guī)模繼續(xù)保持高速增長，動力電池逐步成為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的主要增長引擎。
當(dāng)前，中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)正迎來巨大的市場機(jī)遇，但是同時也面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，中國鋰電池產(chǎn)業(yè)如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，如何進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈更加深入地協(xié)同整合和技術(shù)創(chuàng)新，則是廣大鋰電界同仁需要認(rèn)真思考的問題。
在這個系列文章里，筆者將與廣大讀者探討鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)推動因素、經(jīng)濟(jì)全球化背景下國際鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)和趨勢，以及中國鋰電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展模式與展望，希望能夠在中國鋰電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。
一件工業(yè)產(chǎn)品或者新技術(shù)能否在商業(yè)上取得成功取決于多方面的因素，如果我們仔細(xì)分析全球眾多高科技產(chǎn)品成功的案例就會發(fā)現(xiàn)，技術(shù)往往并不是最主要或者決定性的因素，比如大家所熟悉的Tesla電動汽車。但是筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，這句話如果反過來說那將是錯誤的。技術(shù)不是萬能的，但沒有科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步則是萬萬不能的！
實(shí)體制造業(yè)的發(fā)展，短期可能受到諸如資本運(yùn)作和商業(yè)模式甚至政治等因素的影響，但是放在國際產(chǎn)業(yè)格局下從一個較長的周期比如一二十年甚至三五十年的時間跨度里來衡量，制造業(yè)領(lǐng)域從根本上而言還是依靠科技創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步來推動，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)亦是如此。在深入探討鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和趨勢之前，我們有必要從深層次挖掘和厘清化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的脈絡(luò)。
? 1.1化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展歷程
化學(xué)電源其實(shí)是一個非常古老的學(xué)科，如果從1859年法國人普蘭特發(fā)明鉛酸電池開始算起，電池工業(yè)已經(jīng)有150年的歷史了。讓我們首先回顧一下電池工業(yè)具有里程碑意義的重大技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新：
從上面這個表格我們可以看到，從1859年普蘭特發(fā)明鉛酸電池到上世紀(jì)五十年代這一百年里，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步是非常緩慢的?；瘜W(xué)電源產(chǎn)業(yè)在技術(shù)上取得突破性進(jìn)展的黃金時期是上世紀(jì)五十年代到九十年代這段時間，尤其是七八十年代美蘇冷戰(zhàn)正酣的時候。上世紀(jì)七十年代由于阿以戰(zhàn)爭(實(shí)質(zhì)上是美蘇爭霸引發(fā)的局部“熱戰(zhàn)”)導(dǎo)致了兩次國際石油危機(jī)，不僅對全球政治、經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且也促使西方國家深刻地認(rèn)識到尋找新型能源的重要性，從而對新型高能化學(xué)電源的研究產(chǎn)生了前所未有的巨大推動。
正是這一時期，歐美國家在有機(jī)電解質(zhì)、固體電極材料、質(zhì)子交換膜、電極過程動力學(xué)等基礎(chǔ)研究方面取得了很大的進(jìn)展。燃料電池(AFC和PEMFC)、鈉硫電池(包括ZEBRA電池)和鎳氫電池和鋰離子電池這四種當(dāng)今最重要的高能化學(xué)電源體系這正是在這個時期構(gòu)建了基本原理。雖然鋰離子電池是在冷戰(zhàn)剛剛結(jié)束的1991年由SONY產(chǎn)業(yè)化的，但本質(zhì)上還是屬于冷戰(zhàn)時期八十年代的技術(shù)成果。
筆者個人認(rèn)為，在過去近一個半世紀(jì)歷程里，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)僅僅發(fā)生了兩次堪稱革命性的創(chuàng)新性突破，那就是上世紀(jì)六七十年代燃料電池的實(shí)用化和1991年鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。筆者之所以認(rèn)為這兩種高能化學(xué)電源體系具有革命性突破，是基于以下原因：
? 燃料電池基于獨(dú)特的異相電催化和開放式工作原理，從電化學(xué)器件的角度而言具有革命性和開創(chuàng)性意義。燃料電池獨(dú)特的工作方式，使其可以同時獲得相對于現(xiàn)有二次電池體系更高的功率和能量密度。從電化學(xué)器件的角度而言，燃料電池是相對而二次電池更高級的發(fā)展層次。
? 鋰離子電池則是第一次使得基于有機(jī)液體電解質(zhì)的高電壓高比能二次電池體系成為現(xiàn)實(shí)。鋰離子電池基于嵌入式反應(yīng)原理，不同于之前傳統(tǒng)二次電池上普遍采用的異相氧化還原反應(yīng)機(jī)理，從電化學(xué)器件的角度而言具有開創(chuàng)性意義。并且鋰離子電池打破了負(fù)極必須是鋰源的傳統(tǒng)思想的束縛，在電化學(xué)實(shí)踐上亦具有革命性意義。
如果我們將目光回眸到過去的二三十年就會很清晰地看到，自從1991年鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化到現(xiàn)在長達(dá)四分之一個世紀(jì)的時間里，世界上并沒有一種全新的高能化學(xué)電源體系被商業(yè)化。
如果讀者朋友們對當(dāng)前國際新型電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換體系的研究進(jìn)展有所了解的話，就應(yīng)該明白在未來可預(yù)見的5-10年之內(nèi)，幾乎不大可能存在一種全新的高能化學(xué)電源體系被商業(yè)化的可能性?；瘜W(xué)電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，更多地是體現(xiàn)在對現(xiàn)有化學(xué)電源體系的進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)和完善。
雖然從實(shí)際應(yīng)用的角度而言，這些改進(jìn)甚至比開發(fā)全新的化學(xué)電源體系更具經(jīng)濟(jì)效益，但是這些技術(shù)進(jìn)步并不是革命性和開創(chuàng)性的突破。實(shí)事求是而言，過去的四分之一個世紀(jì)里國際高能化學(xué)電源基礎(chǔ)研究領(lǐng)域并未取得任何突破性進(jìn)展，跟上世紀(jì)七八十年代高能化學(xué)電源技術(shù)的“井噴”形成了鮮明對比。
? 1.2鋰電產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的艱辛
放眼過去二三十年鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展歷程，我們就可以很清楚地看到技術(shù)進(jìn)步的緩慢和艱辛。筆者這里以最具代表性的正極材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來闡述這個問題。表二比較了幾種主流的鋰電正極材料首次被公開報道的年份、首次被工業(yè)化的時間以及大規(guī)模商用的時間。我們可以清楚你看到，這幾種主流正極材料從最開始被公開報道到大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，所經(jīng)歷的時間跨度其實(shí)是越來越長了！
當(dāng)然了，對于磷酸鐵鋰(LFP)這種國人最“熟悉”的正極材料，很多人可能從心理上還不能接受LFP大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的時間會晚到2014年。但是根據(jù)高工鋰電產(chǎn)業(yè)研究所GBII的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，LFP在國內(nèi)的實(shí)際銷售量直到2013年之前都未曾達(dá)到了5000噸/年的商用規(guī)模，因此越來越多的鋰電同仁認(rèn)同LFP的商業(yè)化應(yīng)用元年實(shí)際上要從2014年算起。至于近幾年炒作得很火熱的美國阿貢國家實(shí)驗室(ANL)的富鋰錳基固溶體正極材料(OLO)，目前連產(chǎn)業(yè)化的影子都還沒見到。
因為鋰離子電池的性能與成本在很大程度上取決于正極材料，所以正極材料是鋰電四大基礎(chǔ)材料里面研發(fā)投入最大進(jìn)展也最快的領(lǐng)域。相比于正極材料，負(fù)極的技術(shù)進(jìn)步速度更加緩慢。
石墨材料可以作為嵌鋰負(fù)極材料是法國科學(xué)家Yazami在1983年首先報道的，直到1994年日本大阪煤氣公司產(chǎn)業(yè)化MCMB之后，鋰離子電池的性能獲得了較大的提升得以迅速占領(lǐng)手機(jī)電池市場而飛速發(fā)展起來。之后改性天然石墨在3C小型電池中大量使用，2005年以后人造石墨以其優(yōu)異的電化學(xué)性能開始在動力電池上獲得廣泛應(yīng)用。
目前全球99%的鋰電負(fù)極市場份額仍然被石墨類材料所占據(jù)，其它新型負(fù)極材料比如LTO、硬碳、硅碳復(fù)合負(fù)極材料的小規(guī)模應(yīng)用才剛剛起步而已，并且這些新型負(fù)極材料也不可能取代石墨負(fù)極材料的壟斷地位。相比于正負(fù)極材料，電解液和膈膜的技術(shù)進(jìn)步同樣非常緩慢。
至于鋰電生產(chǎn)工藝，目前液態(tài)電池的基本生產(chǎn)工藝跟20年前SONY所采用的仍然差別不大，而聚合物電池(非軟包電池)的主流技術(shù)仍然是基于美國Bellcore的改進(jìn)。
電池技術(shù)本身并非高深莫測，基本原理還是當(dāng)年伏打電池也就是氧化還原反應(yīng)。但是，原理簡單不等于性能可以很容易地提高，而電池系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。雖然電池原理簡單，但是進(jìn)一步提高性能取得革命性突破非常困難。需要解決科學(xué)和工程的一系列問題，涉及到電化學(xué)、界面化學(xué)、晶體化學(xué)、熱力學(xué)/動力學(xué)、固體物理、電子工程、機(jī)械設(shè)計等多學(xué)科交織在一起的諸多問題。
如果打開最新的i-Phone和i-Pad的后蓋就會看到，主板電路越來越小而電池占據(jù)了大半體積。從目前電池技術(shù)進(jìn)步的角度而言，這種尷尬估計還要持續(xù)很多年。
實(shí)事求是而言，在過去的二十多年里，鋰離子電池和其它高能化學(xué)電源技術(shù)進(jìn)步是很緩慢的，技術(shù)進(jìn)步和革新的速度遠(yuǎn)低于人們的預(yù)期。以至于多少專家被自己之前信誓旦旦的技術(shù)預(yù)測打臉，多少躊躇滿志的投資人和企業(yè)家決策失誤!
?1.3理性看待當(dāng)前鋰電研究“熱潮”
當(dāng)然有讀者會說，你這是在傳播“負(fù)能量”，比如我們不是經(jīng)?？吹叫侣剤蟮勒f某大學(xué)開發(fā)出一種革命性的“新材料”可以使電池容量提高多少倍；或者是某公司研制出一種新型電池技術(shù)充一次電可以讓電動汽車跑XXX公里嗎？最近數(shù)年，類似的新聞幾乎每個月都能看到。筆者個人認(rèn)為，我們要理性地看待當(dāng)前的鋰電研究“熱潮”。
自從日本SONY公司在1991年首次將鋰離子電池成功地商業(yè)化之后，鋰離子電池的性能獲得了較大的提升得以迅速占領(lǐng)手機(jī)電池市場而飛速發(fā)展起來，上世紀(jì)末在全球范圍內(nèi)掀起了第一波鋰電產(chǎn)業(yè)化浪潮，與此對應(yīng)的是從1996年到2002年國際上第一輪鋰電基礎(chǔ)研究熱潮。
第一輪鋰電研究熱潮的成果極其豐碩，大多數(shù)目前商業(yè)化應(yīng)用的電極材料比如三元材料，磷酸鐵鋰，硬碳，鈦酸鋰都是這個時期被發(fā)現(xiàn)并報道的，就連現(xiàn)在很熱門的富鋰錳基層狀固溶體正極和硅碳復(fù)合負(fù)極材料，也都是這個時期最先報道的。
美國克林頓政府在1996年拉開了氫經(jīng)濟(jì)(氫能和燃料電池)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化的序幕，歐盟緊跟其后。在小布什總統(tǒng)當(dāng)政的8年時間里，“氫經(jīng)濟(jì)”的研究在西方發(fā)達(dá)國家尤其是美國達(dá)到了巔峰狀態(tài)，而與此對應(yīng)的正是鋰離子電池的基礎(chǔ)研究從2002年開始到2007年的這6年里陷入了低谷，當(dāng)然鋰電的產(chǎn)業(yè)化還是在快速發(fā)展的。
第二輪燃料電池研究/產(chǎn)業(yè)化浪潮在2007年以后逐漸降溫，自從2008年奧巴馬當(dāng)選美國總統(tǒng)以后，美國政府在電動汽車的戰(zhàn)略方向就從氫能和燃料電池轉(zhuǎn)向了鋰離子電池，也就是當(dāng)前國際上的第二輪鋰電研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮。
很多從事鋰電基礎(chǔ)研究或者產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)的朋友早已注意到，自從2008以后國際上與鋰電相關(guān)的SCI論文成幾何數(shù)量級暴增。根據(jù)WebofScience檢索結(jié)果，2016年一年就發(fā)表了近一萬多篇與鋰電池相關(guān)的SCI論文，比2006年之前十年累積所發(fā)表的SCI論文數(shù)量都還多！
如果僅僅從SCI論文數(shù)量判斷，最近數(shù)年“鋰電研究”異常活躍，似乎預(yù)示著下一個黑科技突破近在咫尺，但是問題并非想象的那么簡單。如果我們仔細(xì)研讀DOE近幾年在鋰電方面的年度報告(BATT和ABR項目)、歐盟ALISTORE項目以及日本NEDO這幾個全球最具重量級的國際鋰電政府研究項目這幾年的年度報告就可以看到，與上世紀(jì)末成果豐碩的第一輪鋰電研究熱潮相比，這一輪的鋰電基礎(chǔ)研究基本上沒有取得任何突破性進(jìn)展，反倒是具有明顯的學(xué)術(shù)“泡沫化”特征，具體表現(xiàn)在“納米鋰電”和磷酸鐵鋰兩大方面。
這兩個領(lǐng)域的SCI論文占了70%以上的論文數(shù)量，也就是大家通常所說的SCI論文“灌水”。對于這些鋰電學(xué)術(shù)界的不正之風(fēng)，J.B.Goodenough、J.R.Dahn和M.Armand這幾位鋰電科研大佬在諸多國際學(xué)術(shù)會議場合屢次提出尖銳批評。
事實(shí)上，筆者一直認(rèn)為產(chǎn)業(yè)界而非學(xué)術(shù)界才是第二輪國際鋰電研究熱潮的主體，因為鋰電是個典型的應(yīng)用性學(xué)科并且鋰電產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)超過25年。那么，鋰電領(lǐng)域每年發(fā)表的專利主題和數(shù)量上的變化基本上就可以反映出國際鋰電產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)創(chuàng)新熱度和發(fā)展趨勢。
鋰電材料方面的國際專利檢索和分析是筆者多年的工作領(lǐng)域之一，筆者的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明國際鋰電相關(guān)專利的數(shù)量在2015年達(dá)到峰值，之后2016年和2017年每年新增專利數(shù)量都是持續(xù)下降的。一般專利的申請到公開發(fā)表有大約2年左右的滯后期，也就是說國際鋰電產(chǎn)業(yè)界在技術(shù)研發(fā)方面其實(shí)在2013年就發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，時間點(diǎn)正好對應(yīng)著美國A123的破產(chǎn)。這個節(jié)點(diǎn)難道僅僅只是巧合嗎？筆者在后面章節(jié)還會詳細(xì)分析。
既然這一輪的鋰電基礎(chǔ)研究熱潮到目前為止并沒有取得任何突破性進(jìn)展，DOE下一階段在高能電化學(xué)電源領(lǐng)域改變資助方向?qū)⑹沁t早的事情。美國特朗普總統(tǒng)上臺之后，隨即大幅度削減鋰電方面的研究預(yù)算，ARPA-E項目整個砍掉DOE經(jīng)費(fèi)大幅削減，在筆者開來這實(shí)際上是對第二輪鋰電研究熱潮泡沫化的矯枉過正。而歐盟(EU)已經(jīng)在2016年下半年悄然將研究重點(diǎn)重新調(diào)整回氫能和燃料電池領(lǐng)域。
事實(shí)上，美國DOE的技術(shù)路線和發(fā)展目標(biāo)一直是我國科技部和工信部制訂新能源汽車方面科研和產(chǎn)業(yè)化政策的基本參考依據(jù)。那么，DOE下一輪關(guān)于新型高能化學(xué)電源的研究和產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)會轉(zhuǎn)移到什么領(lǐng)域？讓我們拭目以待。
?1.4全球化學(xué)電源技術(shù)發(fā)展放緩的深層次原因
那么一個很現(xiàn)實(shí)的問題，為什么在過去的二十多年里高能化學(xué)電源技術(shù)方面的突破性創(chuàng)新相比上世紀(jì)七八十年代明顯放緩甚至出現(xiàn)了停滯呢？在筆者個人看來，主要的原因可能在于以下兩個方面：
?科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步總是有個量變與質(zhì)變過程，重大技術(shù)革命性突破所產(chǎn)生的質(zhì)變極大地推動社會前進(jìn)后，會消耗盡前期積累的大量的小量變，所以便會在一段相當(dāng)長的時間內(nèi)緩步前進(jìn)，這是一個淺顯但很深刻的道理。當(dāng)然，并不是說技術(shù)馬上就會停止進(jìn)步，技術(shù)目前仍然在增長，但增長的步伐會慢下來。
也就是說，目前全球科學(xué)技術(shù)很可能正在進(jìn)入一個“增長的停滯”時期，至于時間的跨度，則很有可能將是一段非常長的時期。美國喬治梅森大學(xué)經(jīng)濟(jì)系教授泰勒?考恩寫了一本書，叫做《大停滯》，書中對全球科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步放緩對美國經(jīng)濟(jì)和社會的影響有深刻的論述。
普通民眾之所以感覺到科技發(fā)展越來越快，一方面是由于“滯后”效應(yīng)，另一方面是由于IT、通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在上個世紀(jì)八九十年后的異軍突起掩蓋了其它領(lǐng)域在技術(shù)進(jìn)步上的停滯不前。很多現(xiàn)代高科技產(chǎn)品如手機(jī)，其原型在半個世紀(jì)前就存在了，但一直是一種奢侈品，只有在其它部門的配套科技水平(微電子)跟上來之后，再加上商業(yè)化組織和營銷方面的創(chuàng)新，手機(jī)才大規(guī)模推廣開來。
但對于使用智能手機(jī)的普通民眾而言，感覺高科技卻是離自己如此之近！但是對于大多數(shù)實(shí)體制造業(yè)領(lǐng)域包括化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)，在過去一二十年里幾乎都出現(xiàn)了“技術(shù)革命停滯”的現(xiàn)象。
?目前技術(shù)發(fā)展相對停滯，筆者個人認(rèn)為很大程度上是由于冷戰(zhàn)結(jié)束蘇聯(lián)解體造成的。二十世紀(jì)有兩次科技大發(fā)展的黃金時期，一個時期是在二戰(zhàn)之前和二戰(zhàn)中的三四十年代，另外一個時期就是冷戰(zhàn)正酣的七八十年代。
尤其是后者，更是人類高科技的“井噴”時期。具體到高能化學(xué)電源的發(fā)展，六七十年代由于美蘇宇航爭霸而推動了燃料電池(AFC)和高壓鎳氫氣電池的實(shí)用化。各種導(dǎo)彈武器和電子設(shè)備對高能化學(xué)電源的需求這推動了鈉硫電池、常壓鎳氫電池和一次/二次鋰電池的產(chǎn)業(yè)化。
筆者并非鼓吹戰(zhàn)爭，但是實(shí)事求是而言，國防和航宇需求對高科技的推動遠(yuǎn)非民用所能比擬。科技發(fā)展很多時候真的是摸著石頭過河，很多重大基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)現(xiàn)需要天文數(shù)字般的人力物力和財力的投入,而這種投入只有國家機(jī)器才能完成。
民用領(lǐng)域則是將利潤和經(jīng)濟(jì)效益按在第一位的，從過去的經(jīng)驗來看，純粹民用對高科技的創(chuàng)新性突破的作用其實(shí)是很有限的。化學(xué)電源領(lǐng)域有一個很好的例子就是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，PEMFC最初的快速發(fā)展是跟加拿大國防部在上世紀(jì)八九十年代對Ballard公司持續(xù)巨額的研發(fā)經(jīng)費(fèi)支持分不開的。
在過去一二十年里，國際上已經(jīng)有數(shù)十國海軍列裝以PEMFC為動力的AIP潛艇，這足以說明PEMFC本身在技術(shù)上的高度成熟與可靠。但是燃料電池電動汽車的商業(yè)化進(jìn)展在過去數(shù)十年里卻并不順利，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為燃料電池電動汽車的商業(yè)化就是臨門一腳的事情，而且日本Toyota、Honda和美國GM已經(jīng)開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)燃料電池電動汽車。
但是筆者個人認(rèn)為，在未來數(shù)十年之內(nèi)，燃料電池電動汽車的大規(guī)模商業(yè)化仍然是不現(xiàn)實(shí)的。這其中的原因固然是多方面的(具體內(nèi)容參看《高工鋰電》相關(guān)文章“純電動汽車動力源探討:鋰離子電池VS燃料電池”)，既有技術(shù)瓶頸的制約但更多的則是經(jīng)濟(jì)效益上考量，而當(dāng)前歐美缺乏國家意志上的強(qiáng)力推動則是最重要原因之一。
如果我們能夠?qū)⑦@兩方面結(jié)合起來思考的話，就會明白為什么在過去了二十多年的時間里鋰離子電池產(chǎn)業(yè)并未產(chǎn)生革命性的突破，全世界沒有全新的高能化學(xué)電源體系被商業(yè)化的內(nèi)在原因了。鋰電產(chǎn)業(yè)是一個資本加技術(shù)密集型的高科技行業(yè)，屬于典型的實(shí)體經(jīng)濟(jì)范疇，所以鋰電領(lǐng)域內(nèi)具有產(chǎn)業(yè)意義上的技術(shù)進(jìn)步仍然是很緩慢的，需要解決科學(xué)和工程方面的一系列難題，取得革命性突破非常困難。
了解到這個現(xiàn)象對我們理解鋰電的發(fā)展趨勢有關(guān)系嗎？有，并且關(guān)系實(shí)在是太大了。因為后面筆者對國際鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與格局的研判，都是建立在全球技術(shù)發(fā)展放緩甚至相對停滯這一客觀規(guī)律的基礎(chǔ)之上。
?1.5辯證看待全球化學(xué)電源技術(shù)發(fā)展放緩
筆者前面分析指出，從技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步的角度來說，當(dāng)前國際化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)還處在一個量變的階段，還不能夠預(yù)見質(zhì)變到來的臨界點(diǎn)。科技發(fā)展總是一個緩慢的量變過程，處于領(lǐng)先地位的企業(yè)或者國家，總是需要投入大量資金(相對于質(zhì)變來說)才能緩慢的前進(jìn)(因為對于探索者而言科研存在大量的試錯問題)，而追趕者則可以投入較少的資金就可以循著領(lǐng)先者的道路前進(jìn)，因為沒有試錯問題其追趕速度就會高于領(lǐng)先者，這就是所謂的“后發(fā)優(yōu)勢”。
處在這個階段，后發(fā)者不斷得到的是正確的方向和技術(shù)而不是先行者失敗的教訓(xùn)。在這種情況下，后發(fā)者(國家或者公司)完全有可能在下一次科技革命到來之前，充分利用后發(fā)優(yōu)勢而處于與先行者同樣有利的位置參與到新一輪的科技革命之中，從而一躍成為技術(shù)發(fā)達(dá)國家或者公司。
當(dāng)然了，后進(jìn)國家或者企業(yè)利用后發(fā)優(yōu)勢趕超是有前提條件的。在筆者個人看來，有兩個前提條件至關(guān)重要：一個是選對趕超目標(biāo)(國家或者公司)，另外一個前提條件就是選對趕超方向有選擇性突破。
其實(shí)，如果我們對比一下中國和韓國鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，相信讀者朋友們就可以很清楚地認(rèn)識到為什么說這上述這兩個前提條件至關(guān)重要了。相關(guān)的話題，筆者在后面的章節(jié)里還要詳細(xì)展開論述。
?1.6高能化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢
電池技術(shù)本身并非高深莫測，基本原理還是當(dāng)年伏打電池也就是氧化還原反應(yīng)。但是，原理簡單并不等于性能可以很容易地提高，而電池系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。具體討論高能化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢和方向，涉及到多學(xué)科的綜合，屬于非常專業(yè)的高科技領(lǐng)域。這里，筆者將拋開深奧的電化學(xué)、固體化學(xué)以及電催化方面的科學(xué)原理，站在宏觀的角度深入淺出地對高能化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行討論。
首先我們要思考一個基本問題，二次電池的根本發(fā)展方向是什么？如果我們對比過去一百五十年里各種商品二次電池的能量密度，就會非常清楚地看到這種遞增趨勢，同時還有循環(huán)性能的指數(shù)增加趨勢。這其中，能量密度的提升是根本性的指標(biāo)。那么讀者就應(yīng)該能夠明白，相對于當(dāng)前鎳氫電池遭遇的產(chǎn)業(yè)困境，為什么鋰離子電池在過去二十年里應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大發(fā)展飛速發(fā)展的根本原因了。
道理很簡單，因為目前所有商品化的二次電池體系中，鋰離子電池不僅能量密度最高而且同時還具有超長循環(huán)壽命。至于其它技術(shù)指標(biāo)比如倍率性、溫度性能等等，則不是核心問題。
那么未來可能會有其它的新型化學(xué)電源體系取代現(xiàn)有的鋰離子電池體系嗎？其實(shí)，二次電池實(shí)質(zhì)上是以帶電荷的離子(H+、Li+、Na+、Al3+、Zn2+等)作為電能儲存載體，離子的荷質(zhì)比(Q/M)在某種程度上就決定了該電池體系的理論能量密度。在這些離子當(dāng)中，H+的荷質(zhì)比最高(1.0)，其次是Li+(0.144),Al3+(0.111),Mg2+(0.083)，Na+(0.0455)。
因此從這個角度而言，化學(xué)電源的比能量是有限的，受到體系理論容量和工作電壓的限制而不可能遵循莫爾定律。鋰在已知的金屬中具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢和僅次于氫的理論比容量，使得鋰系電池在所有二次電池體系中理論能量密度最高。因此，非水體系高能二次電池必然是以鋰系電池為主，其它電化學(xué)體系(鈉離子、鎂離子電池等)為輔。那么很多讀者關(guān)心的問題，鋰系二次電池將會朝什么方向發(fā)展？
從電化學(xué)的角度而言，現(xiàn)有的鋰離子電池其實(shí)只能算是“半個”高能電池，因為它的高比能量主要是建立在負(fù)極極低的電極電勢基礎(chǔ)之上，目前使用的過渡金屬氧化物正極材料不管是工作電壓還是比容量都跟水系二次電池的正極材料相差不大。
因此，要想使鋰離子電成為“真正”的高能電池，只有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。因為負(fù)極工作電壓已經(jīng)沒有降低的可能，那么高壓就必須著眼于正極材料。5V鎳錳尖晶石由于容量較低，實(shí)際上并不能有效提升電池的能量密度。
目前富鋰錳基固溶體(OLO)的實(shí)際容量可以達(dá)到250mAh/g，已經(jīng)很接近層狀過渡金屬氧化物正極的理論容量。Si/C復(fù)合負(fù)極材料以及硅基合金負(fù)極材料的比容量已經(jīng)達(dá)到了600-800mAh/g，這個容量范圍實(shí)際上是其實(shí)用化(抑制體積變化)的極限。
如果OLO和高容量硅基負(fù)極搭配，能量密度可以達(dá)到350Wh/Kg的水平。而更具實(shí)際應(yīng)用價值的高鎳NMC正極與Si/C復(fù)合負(fù)極材料搭配體系，實(shí)際能量密度在300Wh/Kg略高的水平，這個能量密度指標(biāo)幾乎是實(shí)用化的常規(guī)液態(tài)鋰離子電池能量密度的極限。
要想進(jìn)一步提高鋰電的比能量，那么就必須打破現(xiàn)在的嵌入反應(yīng)機(jī)理的束縛,跟其它常規(guī)化學(xué)電源一樣采用異相氧化還原機(jī)理，也就是采用金屬鋰做負(fù)極。但是鋰枝晶容易導(dǎo)致短路以及高活性枝晶與液體有機(jī)電解液的強(qiáng)烈反應(yīng)，使問題又回到了鋰離子電池的起始點(diǎn)。
其實(shí)，鋰離子電池采用石墨負(fù)極的根本原因，正是因為石墨嵌鋰化合物(GIC)避免了金屬鋰枝晶的形成，并且GIC降低了金屬鋰的高活性使得穩(wěn)定的SEI界面成為可能。所以，基于嵌入反應(yīng)的鋰離子電池其實(shí)是不得已的折衷辦法！
那么有沒有辦法解決金屬鋰的問題呢？理論上，采用固體/聚合物電解質(zhì)或者在液態(tài)電解液添加無機(jī)添加劑都有可能緩解鋰枝晶問題，但是在電芯的實(shí)際生產(chǎn)和使用上會面臨諸多技術(shù)困難，并且限制了工作電壓的進(jìn)一步提升空間。
筆者個人認(rèn)為，只有采用無機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能讓基于金屬鋰負(fù)極的高能(高電壓)二次電池體系產(chǎn)業(yè)化成為可能。日本Toyota(豐田汽車)是國際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上大幅領(lǐng)先其它企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)。使用金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)二次電池自然是“終極鋰電池”，產(chǎn)業(yè)化難度極大。在筆者看來，如果基于金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池未來能夠產(chǎn)業(yè)化，那將是可以跟常規(guī)液體電解質(zhì)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化相提并論的革命性突破。
為什么筆者不認(rèn)為當(dāng)下研究得很熱門的鋰硫和鋰空電池是鋰離子電池下一個突破點(diǎn)呢？其實(shí)Li-S和Li-Air電池都是老掉牙的體系，只是近些年又被重新包裝熱了起來。對S正極的研究衍生出了兩個方向，一個是高溫的Na-S電池(日本NGK已經(jīng)有數(shù)十年的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗)，另外一個方向就是目前研究得比較熱門的常溫Li-S電池。
目前，Li-S電池仍然存在諸多技術(shù)難題，還未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。由于Li-S電池獨(dú)有的“多硫離子穿梭效應(yīng)”，除了在一些小眾或者特殊應(yīng)用領(lǐng)域，筆者并不認(rèn)為Li-S電池會獲得廣泛商業(yè)應(yīng)用。
Li-Air電池則屬于空氣電池的范疇。有一定電化學(xué)功底的讀者應(yīng)該明白，要想進(jìn)一步較大幅度提高現(xiàn)有電化學(xué)體系的能量密度，就必須考慮利用空氣中的氧氣作為氧化劑，因為理論上氧氣并不計入電極活性物質(zhì)重量。按照這個思路就發(fā)展出了各種金屬-空氣電池，相對比較成熟的是一次鋅空電池，而目前研究得最熱門的是二次Li-Air電池。
但是在筆者個人看來，金屬-空氣電池特別是二次金屬-空氣電池，實(shí)際上是把二次電池和燃料電池兩者的缺點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，并且放大了缺點(diǎn)。因此，二次Li-Air電池根本不具備產(chǎn)業(yè)化的可能性，其中的科學(xué)道理由于篇幅的限制筆者這里不再贅述。比如IBM投入巨資花費(fèi)數(shù)年時間研究鋰空電池，最后發(fā)現(xiàn)悲劇了該項目被完全砍掉。
筆者之所以認(rèn)為全固態(tài)鋰電池將是繼常規(guī)液態(tài)鋰離子電池之后的革命性突破，主要是因為一方面其能量密度將會有較大提升，另一方面全固態(tài)鋰電池將會在生產(chǎn)技術(shù)上形成較高的技術(shù)壁壘。
什么是技術(shù)創(chuàng)新？技術(shù)創(chuàng)新簡單講就是因為技術(shù)難度高，對手無法很快山寨你的技術(shù)，Li-S電池顯然不具備這個最基本特征。而全固態(tài)鋰電池要求電池生產(chǎn)廠家具有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)和技術(shù)水平，因為不管是正極還是金屬鋰負(fù)極所必須采用的包覆技術(shù)，并且固體電解質(zhì)的生產(chǎn)也必須由電芯廠家自己完成，這就完全顛覆了當(dāng)前的電池廠商可以在市場上購買所有電極原材料而只負(fù)責(zé)電芯生產(chǎn)的的模式。
更重要的是，全固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝流程和技術(shù)跟當(dāng)前的常規(guī)液態(tài)鋰離子電池完全不同。這一切，都會給全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化帶來相當(dāng)高的技術(shù)壁壘，而這種高技術(shù)壁壘恰恰是化學(xué)電源產(chǎn)生革命性突破所必須具備的，否則還能稱之為“革命性突破”嗎？
但是筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，由于固體電解質(zhì)中離子傳輸?shù)乃俣容^慢，并且固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料界面的電阻很大，這兩個基本特征決定了全固態(tài)電池的倍率性能必然是其短板，并且全固態(tài)電池的循環(huán)性和溫度性能也會面臨很大挑戰(zhàn)。
因此筆者個人認(rèn)為，全固態(tài)鋰離子電池將來有可能在3C小型電子設(shè)備上獲得實(shí)際應(yīng)用，大型動力電池或許并非其主要應(yīng)用領(lǐng)域。基于全固態(tài)電池的特點(diǎn)，全固態(tài)電池將是常規(guī)液態(tài)鋰離子電池的重要補(bǔ)充，不大可能取代液態(tài)鋰離子電池成為鋰電商業(yè)化主流方向。根據(jù)當(dāng)前國際上全固態(tài)鋰離子電池的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?fàn)顩r(日本在該領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位，而我國在全固態(tài)鋰離子電池研究領(lǐng)域比較薄弱)，筆者不認(rèn)為在未來5-10年之內(nèi)全固態(tài)鋰離子電池有大規(guī)模商業(yè)化的可能性。
二次電池的能量密度肯定是有上限的，不可能遵守摩爾定律。通俗地講，這是由于二次電池密封式的工作方式?jīng)Q定的。二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(hù)(這點(diǎn)對鋰電而言至關(guān)重要)，而正是因為二次電池是個密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個密閉的高能體系跟炸彈又有什么區(qū)別？從最基本的能量守恒定律就講不通！那么，要想獲得更高的能量密度，就必須采用開放式的工作原理，比如金屬空氣電池(半燃料電池)和燃料電池。
筆者前面分析過，金屬空氣電池由于一些最基本技術(shù)限制，決定了不可能大規(guī)模應(yīng)用。因此，從高能化學(xué)電源的最根本需求(追求更高能量密度)而言，燃料電池必然還會有下一輪的研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮，因為到目前為止沒有任何一種二次電池體系在能量密度和功率密度上可以跟PEMFC相提并論，這個根本特征決定了PEMFC的發(fā)展后勁。
燃料電池獨(dú)特的異相電催化反應(yīng)過程，使得不管是氫的電化學(xué)氧化還是氧的電化學(xué)還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。而PEMFC的能量密度則取決于儲氫系統(tǒng)的儲氫量，同樣也可以通過增加儲氫罐體積或者數(shù)量而獲得提升。
也就是說，PEMFC系統(tǒng)可以同時兼具高能量密度和高功率密度，這一本征特征特點(diǎn)則是任何一種二次電池都不可能具備的，其根本原因在于封閉體系和開放式工作方式的本質(zhì)區(qū)別。而同時兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現(xiàn)代汽車對動力系統(tǒng)的最基本技術(shù)要求。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學(xué)電源的一個更高的發(fā)展層次。
從根本上而言，二次電池是一個能量存儲裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。而燃料電池則是一個電能生產(chǎn)裝置，它通過電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來，工作方式跟內(nèi)燃機(jī)比較類似。燃料電池和二次電池在工作方式上的本質(zhì)性不同，決定了二次電池適用于中小功率的儲能用途，而燃料電池則適合較大功率的應(yīng)用。
實(shí)事求是而言，鋰離子電池當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)成熟度遠(yuǎn)高于燃料電池，這也是我國政府目前大力發(fā)展鋰離子電池純電動汽車的主要原因，而歐美日則是將燃料電池技術(shù)作為未來純電動汽車的戰(zhàn)略發(fā)展方向。
簡而言之，筆者個人認(rèn)為高能化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)的下一個創(chuàng)新性突破點(diǎn)有可能是全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化和PEMFC燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化。就這兩個領(lǐng)域當(dāng)前的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展而言，筆者個人認(rèn)為至少需要5-10年的時間才有可能實(shí)現(xiàn)。
