從馬車到蒸汽機(jī)，到內(nèi)燃機(jī)再到電動機(jī)，幾百年的歷史進(jìn)程中，世界驅(qū)動力的升級，讓城市運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)奏更快更強(qiáng)了，而汽車可以說是城市動力的親歷者和見證者。
不過，正如曾經(jīng)每一次變革都會受到來自技術(shù)上的阻力一樣，汽車在告別化石能源全力擁抱新能源技術(shù)，駛向未來駕駛的過程中，也面臨著不小的挑戰(zhàn)。
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其中，車載動力電池的表現(xiàn)達(dá)不到預(yù)期就是挑戰(zhàn)之一。好不容易排到新能源號牌，但日常電動車只敢在充電樁方圓百公里左右活動，上下班通勤路程都勉勉強(qiáng)強(qiáng)，更別提長距離自駕出游了。而且電動車的充電時間長，一旦沒電，可能離真正上路還需要半天時間。
車載動力電池屬于可充電電池。一般可充電電池主要由三部分組成，分別是含金屬元素（如鈉離子、鋰離子等）的正極，負(fù)極和電解液。充電時，金屬離子從正極中出來，經(jīng)過電解液，到達(dá)負(fù)極，同時電子經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，放電時則相反。于是，隨著電池一次又一次地充放電，金屬離子也不斷地在兩極間往返。
鈷酸鋰原理示意圖 圖片：nature.com
如果說可充電電池是個折返跑的跑道，帶電的離子是來回往返的“運(yùn)動員”，那么正極材料就像是有著彈簧的助跑器，極大地決定著“運(yùn)動員”們起跑的速度。假如助跑器彈性不佳，那么運(yùn)動員的起步也會落下別人一個身位；但如果助跑器彈性過好，運(yùn)動員可能出去就會摔倒了。
可充電電池的正極材料不僅決定著電池整體能量密度，同時也影響著電池的整體性能，因此在材料活性、成本和安全性等方面都面臨著很高的要求。
為了突破可充電電池的儲能瓶頸，能源、化學(xué)大佬們也正如火如荼地對電池的正極材料進(jìn)行著探索和革新。不過，哪種才是真正的未來能源之王呢？
電池盤點(diǎn)
鈉離子電池
鈉資源的儲量豐富（大約是鋰的400倍），開采成本十分低廉，所以可以滿足鈉離子電池（NIBs）的正極材料供給，并且能夠大規(guī)模應(yīng)用在各種可充電電池場景中。
用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用的固定NIB基本特征 圖片：參考資料[1]
此外，鈉離子電池的過渡金屬元素鐵、錳等，成本也低。而且拿鐵酸鈉（化學(xué)式NaFeO2）來說，因?yàn)殁c離子（1.02A）和鐵離子（III）（0.645A）的半徑相差較大，因此鐵酸鈉不會像三元材料發(fā)生陽離子混排，可以形成穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。此外，鈉離子電池還可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，所以非常適合用在大規(guī)模儲能設(shè)備中。
鈉離子電池的成本來源和比例 圖片：參考資料[1]
但是即使鈉離子電池在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中展現(xiàn)出了規(guī)模優(yōu)勢，但是鈉離子電池在新能源汽車上卻并不太適用。這是因?yàn)椋?
1. 鈉離子的半徑較大（是鋰離子半徑的一倍）。不難想象，當(dāng)一個胖胖的鈉離子在電極中不斷運(yùn)動時，很容易引起電極材料微觀結(jié)構(gòu)的破壞和崩塌，也就是“撐壞了”，從而造成電池容量出現(xiàn)迅速衰減，影響電池的使用壽命。長期來看，反而可能不劃算。
2. 鈉元素的相對原子質(zhì)量也較大（是鋰的 3 倍多），這意味著儲存同樣的一份能量，鈉離子電池需要更大的質(zhì)量，這和新能源汽車“減重”的宗旨是背道而馳的。歸根結(jié)底，鈉離子電池的這些缺點(diǎn)只因?yàn)殁c是個“胖子”。
多離子電池
在離子狀態(tài)時，鈉元素的價態(tài)是+1，意味著它的每次移動可以攜帶一個電荷，對應(yīng)于一個電子的轉(zhuǎn)移。所以，當(dāng)鈉的數(shù)量為n時，這個電池所能儲存電荷數(shù)量的上限就是1*n。
那么是不是意味著，如果把單個離子可攜帶的電荷數(shù)提高，這樣電池的能量密度也會變得更高？研究者們也是這樣想的。于是，鎂離子、鋁離子等使用高價態(tài)金屬元素作為正極材料的多離子電池應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的離子能夠存儲更高密度的電荷，所以多離子電池容易達(dá)到較高的能量密度。而且當(dāng)金屬鋁被用作電池正極時，由于金屬鋁具有更高的空氣穩(wěn)定性，電池的安全性問題也得到了改善。
可充鋁電池的優(yōu)勢與挑戰(zhàn) 圖片：參考資料[2]
當(dāng)然，多離子電池也同樣會遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價態(tài)離子，雖然離子半徑?jīng)]那么大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，你在參加折返跑比賽時，人家都是輕裝上陣，但是你還穿著棉衣棉褲加羽絨服。遷移慢所造成的后果是電池的倍率性能不好，影響電池的充放電速度。
鋰空氣電池
在人類能源開發(fā)的歷程中，空氣一直有著重要的角色，空氣的動能可以通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能、電能和熱能；而在電池界，空氣，確切來說是氧氣，也成為正極材料的一種選擇。放電時，負(fù)極材料金屬鋰向電解液提供鋰離子，這些離子與氧氣反應(yīng)，生成過氧化鋰，同時發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電能。
鋰空氣電池有著很多優(yōu)勢。當(dāng)氧氣成為正極材料，電池的一部分直接變成氣體了，可想而知有多輕。而且理論上來說，它還有儲存更多能量的潛能。鋰空氣電池的理論能量密度很高，達(dá)到12000Wh/Kg，這一數(shù)值甚至和汽油（13000Wh/kg）有一拼。
基于FST-GPE聚合物電解質(zhì)與傳統(tǒng)液態(tài)電解液的鋰氧/空氣電池的工況對比圖。圖片：參考資料[3]
不過鋰空氣電池這個聽上去就科幻無比的產(chǎn)品仍然有一定的路要走。在半敞開的鋰空氣電池中，金屬鋰負(fù)極在充放電循環(huán)過程中難免與空氣中其他成分接觸，尤其是水極易與金屬鋰發(fā)生劇烈反應(yīng)。此外，鋰空氣電池中易揮發(fā)的有機(jī)液態(tài)電解液面臨著過充、高溫等條件誘發(fā)的電池燃燒甚至爆炸的風(fēng)險，加上電池工作室需要一套附屬設(shè)施來進(jìn)行提取出空氣中的氧氣。這套附屬裝置無論從成本還是便攜度上都極大拉低了鋰空氣電池的競爭力……這些都是制約鋰空氣電池實(shí)用化的瓶頸。[3]
鋰離子電池
鋰離子電池比上述幾種電池常見得多。
要知道，1970年代后期，就已經(jīng)有了一種“鋰電池”。當(dāng)時的鋰電池還在非常硬核地使用金屬鋰作為負(fù)極，因?yàn)橥瑯淤|(zhì)量下，鋰電池能比其他電池儲存更多的電能，因此很受市場青睞，比如“大哥大”使用的就是這種鋰電池。
但是金屬鋰太鬧騰了，它是元素周期表里最活潑的元素之一，極易燃燒，甚至與氮?dú)舛寄苊紒硌廴ヒ幌掳l(fā)生反應(yīng)。這樣的特性極大拔高了鋰電池的技術(shù)要求：生產(chǎn)組裝過程中稍有不慎，泄進(jìn)了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒。而在肉眼看不到的地方，還有一個更大的隱患——由于動力學(xué)等因素，鋰金屬表面會形成一些小分支，叫做“枝晶”。隨著在電池的使用，這些枝晶會越長越大，最終會刺破電池正負(fù)極之間的隔膜，造成短路，引起電池自燃。
鋰枝晶的微觀照片，圖片來源：參考資料[4]
到了現(xiàn)在，鋰電池這種一次電池更多的是被用在水力風(fēng)力發(fā)電的儲備設(shè)施上；而我們生活中通常更常見的以鋰這種化學(xué)元素作為材料的電池早就變成了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作為正極的二次電池。在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子的“折返跑”，所以它應(yīng)該被更準(zhǔn)確地叫做“鋰離子電池”。
拿鋰離子電池常見的正極材料之一，鈷酸鋰（化學(xué)式LiCoO2）來說，在晶體學(xué)上它屬于一種層狀材料。其中層狀是指鈷和氧原子的結(jié)合更緊密，形成的正八面體的平板，鋰原子層就乖乖地卡在兩個“平板”之間，可以更老實(shí)地在鈷酸鋰晶體中快速移動。[5]
鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu) 圖片：Wikipedia
而且，這種氧化物可以拔高電池的使用電壓，從而提升電池儲存的電量；更為重要的是，鈷酸鋰對空氣等不敏感，跟金屬鋰這個“多動癥”相比，可以說是非常乖巧了；枝晶問題在鈷酸鋰中也得到了改善。因此，和前三種電池比較起來，在一定的使用時長下，鈷酸鋰是一種綜合性能相對較高的電極材料，使用場景也更加豐富便捷，成為目前最常見的電池材料也不足為奇了。
不過，鈷酸鋰作為電池材料也存在自己的問題。就像再豐富的礦山也有被掏空的一天，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)在充放電循環(huán)過程中容易崩塌，而且崩塌層之間無法再進(jìn)行鋰離子的存儲，造成電池整體的性能衰減，能量密度降低。如果再被放到單次能量需求較大的場景，就會比較吃力。再加上鈷酸鋰實(shí)在不便宜、其對高溫的敏感性也是一個需要考慮的問題，所以鈷酸鋰作為電池材料的技術(shù)優(yōu)化也仍然是進(jìn)行時。
電池好，自然跑得遠(yuǎn)
如果說電池本身就是一輛小車，那么正極材料可以說是這臺小車的強(qiáng)勁發(fā)動機(jī)，為這量小車提供穩(wěn)定的能量支持；電池材料技術(shù)的優(yōu)化是未來新能源車徹底擺脫“在充電樁方圓百里轉(zhuǎn)圈圈”的有效途徑。
中國目前已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場。中汽協(xié)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018－2020年新能源車總產(chǎn)量預(yù)計(jì)為104.3萬輛、148.4萬輛和203.4萬輛，從2017年到2018年上市的新能源汽車的平均能量密度也從103.3Wh/kg 提升到了142.4Wh/kg。
但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，拿當(dāng)前最主要的鋰離子電池來說，美國能源部智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（CESMII）曾經(jīng)為鋰離子電池規(guī)劃了一個路線圖，原定目標(biāo)是在2019年左右，它的能量密度可以達(dá)到350Wh/Kg[7]。但是根據(jù)工信部新能源汽車推薦目錄顯示，目前單體電池的能量密度最高也只是200Wh/Kg左右。電池材料技術(shù)的研發(fā)還任重道遠(yuǎn)。
中國電動車市場潛力巨大 圖片：Bloomberg
作為全球技術(shù)領(lǐng)先、產(chǎn)量領(lǐng)先的高能量密度正極材料供應(yīng)商，巴斯夫一直致力于開發(fā)和生產(chǎn)能量密度更高，價格更具優(yōu)勢，性能更可靠的正極電池材料。通過采用多種方法來提升材料的特性：材料的化學(xué)組成、材料顆粒的大小與分布、孔隙度和表面特性的調(diào)節(jié)等，從而大幅提高了正極活性材料的性能。
同時，在巴斯夫使用小型測試電池對材料進(jìn)行研究和檢測的過程中，每天都生成超過 7000 萬的數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)與超級計(jì)算機(jī) Quriosity 能幫助預(yù)測并分析材料特性，加速整體研究過程。
超級計(jì)算機(jī) Quriosity 丨 巴斯夫 BASF
在今天，巴斯夫研發(fā)的鎳鈷鋁正極活性材料（NCA）和鎳鈷錳正極活性材料（NCM）已經(jīng)被應(yīng)用在全球領(lǐng)先的電動汽車動力鋰離子電池中。他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度，更短的充電時間，更穩(wěn)定的性能，更優(yōu)化的性價比。
鋰鎳氧化物的電子掃描顯微像 | 巴斯夫 BASF
在巴斯夫的下一階段發(fā)展目標(biāo)里，到2025年，一臺普通中型電動車搭載的電池體積就將減半，實(shí)際續(xù)航里程也會提升到600公里，充電時間則縮短至15分鐘。也就是說，我們只需要等待15分鐘，就可以開車輕松繞著內(nèi)環(huán)高架路10圈、甚至跨城。
這等待的15分鐘，我們可以做點(diǎn)什么?巴斯夫的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與全球創(chuàng)意平臺Filmaka合作，暢想世界各地的人們可以如何利用這15分鐘為自己的生活加油, 給愛車充電的同時也給生活帶來更多能量。
當(dāng)然，電池材料技術(shù)的進(jìn)步帶來的不止有生活的小確幸，整個城市也會隨之改變。在未來，道路上將能看到更多的新能源汽車，無人駕駛也可能因?yàn)槟芰砍渥愣斓貙?shí)現(xiàn)功能的完善和部署，物聯(lián)網(wǎng)智能生態(tài)也能因澎湃的能量儲備而變得更加“生氣勃勃”；更重要的是，空氣質(zhì)量將會得到極大改善，整個城市將變得愈發(fā)宜居。
隨著城市的快速發(fā)展，交通、居住、建筑方面的挑戰(zhàn)都在迅速增加。得益于巴斯夫?qū)Σ牧?、對汽車研發(fā)周期的深入了解，以及與電池生產(chǎn)商的密切合作，巴斯夫的化學(xué)創(chuàng)新為我們展示了如何在一次次能源變革的帶領(lǐng)下，將城市生活的挑戰(zhàn)一次又一次的轉(zhuǎn)變?yōu)槊篮梦磥恚屛覀儗ΜF(xiàn)在的城市生活充滿信心和期待，同時未來生活在當(dāng)下其實(shí)也已經(jīng)開始揭開序幕了。
