中國儲能網(wǎng)訊：近年來，電動汽車、新能源已然成為我國重要的發(fā)展方向，電池可以稱之為該領(lǐng)域的核心技術(shù)。與此同時，市場上也存在諸多與電池相關(guān)新聞，“X分鐘X秒鐘充滿電，續(xù)航1000公里”等訊息令大眾驚奇不已。然而，從專業(yè)角度來看，我們需要慎重對待這些新奇新聞。
雖然電池技術(shù)在近幾年確有進(jìn)步，但其性能似乎距大眾期望尚遠(yuǎn)：電動汽車所用動力電池容量確有上升，然其續(xù)航里程卻不能令人滿意；手機(jī)方面，三星只是適度的提升其電池能量密度，加之一些管理、設(shè)計上的問題，NOTE7便遭遇了“滑鐵盧”。盡管在社會上，電池已經(jīng)成為大家寄以厚望的熱點，但我們必須理性地意識到：電池進(jìn)步雖有很多種可能性，但選出一條可行的路并且把它走通（產(chǎn)業(yè)化以服務(wù)社會）卻并不容易，因為選擇和研發(fā)都需要投入很多的精力。因此就目前鋰電池行業(yè)和廣大社會期望而言：大眾所期望的快速運轉(zhuǎn)盡早實用的心態(tài)固然可以理解，但在產(chǎn)業(yè)實際中并不可取。因此謹(jǐn)慎選擇和篩選鋰電池技術(shù)十分重要！
眾所周知，鋰離子電池具有良好的綜合性能，是消費電子、電動汽車甚至儲能行業(yè)的主力軍，近年來社會及專業(yè)人士對其期望值也很高。目前，市場上存在多種鋰電池技術(shù)，這在某種程度上極大地吸引了投資人、各地政府的注意力。但值得注意之是：這些技術(shù)整體來說良莠不齊，不乏以下情況：有些包裝很好，實際技術(shù)先進(jìn)性卻是大大的問號。
在此背景下，筆者特在此介紹一些篩選鋰離子電池的基本常識，以便向廣大普通群眾進(jìn)行科普與知識宣傳。
一、什么是鋰離子電池？其工作原理為何？
鋰離子電池是一種二次電池（即可反復(fù)充放電的電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+（鋰離子）在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，因為鋰離子在正極和負(fù)極材料中儲存時能量不同，而該能量差就是鋰電池能存儲/釋放的電量：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于脫鋰狀態(tài)；放電時則相反。下圖就是鋰離子電池工作的典型示意圖，其使用的反應(yīng)體系為最經(jīng)典的鈷酸鋰正極-石墨負(fù)極。
鈷酸鋰正極-石墨負(fù)極體系的鋰離子電池工作示意圖
在該電池中，以充電過程為例正負(fù)極的具體反應(yīng)如下：
LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-
6C+xLi+xe-=LixC6
因為材料本體的性質(zhì)局限，在正極的反應(yīng)過程中，鈷酸鋰一般情況下只能脫出0.5個鋰離子，再多則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌損壞，因此一般情況下鈷酸鋰的理論容量上限只有140mAh/g左右，而負(fù)極石墨的理論密度為360mAh/g。再加上鈷酸鋰的放電的平均電壓為3.7V（實際上是從4.2的充滿電最高電壓逐漸下降到3V左右，3.7為平均值），同時，考慮到石墨負(fù)極很低的電位值，以及電池中各種其它元件的占比，最后可以得到我們用的鋰電池（例：手機(jī)）的能量密度大約是160Wh/kg左右。
能量密度對于各種電池都是最為基礎(chǔ)的核心參數(shù)，必須而且應(yīng)該是公開透明數(shù)據(jù)。然目前常用鋰離子電池中，由于取決材料、技術(shù)體系不同，能量密度可以從幾十（比如鈦酸鋰）到200Wh/kg左右。一旦這個數(shù)值極高（或極低），就值得重點關(guān)注了：一方面，在技術(shù)人員的努力下，做出了較高的能量密度，可能技術(shù)上有突破，值得慶祝；另一方面，不排除有部分人士商家存在性能夸大現(xiàn)象。如果能量密度數(shù)據(jù)不輕易標(biāo)出，則消費者購買/投資人投資前就需謹(jǐn)慎思考（因為謹(jǐn)慎推測：不愿意標(biāo)注的多半是因為該性能不佳）。電池的基礎(chǔ)是電化學(xué)科學(xué)，而對于這一領(lǐng)域，有一個樸素但是最為基本的原理：任何一種電池，其存儲能量的機(jī)理均需寫出一個相應(yīng)的電化反應(yīng)方程式，如此才能知道其電壓情況，判斷其理論極限能量密度等，而且這些對于電池而言都只是最基本信息。不論此電池技術(shù)有多新（或只是相關(guān)人士所說的新），其原理都必須能寫成化學(xué)方程式，落實在紙面上，如此才可以經(jīng)得起學(xué)界常識的檢驗。筆者近來有友被推銷一種電池，然而推銷人士卻對最基本電池反應(yīng)原理三緘其口，因為“怕泄密”，同時說出一些違反電化學(xué)基本常識的理論，因此購買與采用該技術(shù)前還是建議要做仔細(xì)調(diào)研，謹(jǐn)慎行事。就電池而言，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是最基本信息，需要公開透明，而且這還僅僅是第一步。電池工程技術(shù)真正的壁壘在于對材料、整體結(jié)構(gòu)以及工藝的優(yōu)化。即使基礎(chǔ)原理清楚，還需考慮實現(xiàn)難度，新技術(shù)工程化的艱辛是遠(yuǎn)超出很多人想像，。近幾十年來中國工業(yè)取得如此大成就得益于技術(shù)人員的辛勤積累，不懈堅持與嚴(yán)謹(jǐn)鉆研。中國的電池工業(yè)能有目前的成就，同樣離不開腳踏實地的實干精神和在工業(yè)工程化中的辛勤探索。
故而請允許筆者再次引申，此前對“石墨烯（基）（鋰離子）電池”、“石墨烯增強(qiáng)（鋰離子）電池”“石墨烯輔助（鋰離子）電池”的質(zhì)疑已有諸多分析（只限于鋰電池，并沒有涉及鉛酸等其它技術(shù)）。
在此再次強(qiáng)調(diào)：石墨烯用于鋰電池，只能做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑。做負(fù)極材料其成本高，體積密度低，首次效率極低，使用中會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化（Re-stacking），成本頗高，基本無可能性；而當(dāng)作導(dǎo)電添加劑，其與其它碳系材料兄弟競爭，并無明顯優(yōu)勢，又面臨工程中分散等一系列實際問題。實際上，現(xiàn)今市場中各種石墨烯電池技術(shù)，幾乎很少有人愿意將自己電化學(xué)反應(yīng)方程式明確公開地寫出，從而讓同行站在科學(xué)的角度去檢驗。其中緣由，值得思考。
此外，近來科研界AdvancedMaterials發(fā)表了一篇長綜述文，認(rèn)真分析了為什么近幾年石墨烯用于電池中進(jìn)步貢獻(xiàn)不大。原地址為：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603421/abstract。目前有專業(yè)人士正在將其翻譯成中文，如若有興趣歡迎訪問相關(guān)鏈接，地址為：https://zhuanlan.zhihu.com/p/24844227。
相比之下，許多新一點——例如鋁、鎂等電池，在不談?wù)摷夹g(shù)可靠性之外，其反應(yīng)機(jī)理確實存在，因此至少還存在進(jìn)一步討論分析這種技術(shù)的空間。
二、起名很重要——就名字關(guān)注是否具有可靠性
起名很重要——擁有朗朗上口名字的技術(shù)，利于被記憶與傳播。市場中存在諸多的“石墨烯電池”均按照此方式傳播，主要優(yōu)點其實也是便于記憶。相比之下三元鋰電池、硅負(fù)極電池就顯得較為稀松平常。加強(qiáng)傳播性固然重要，但如若該名字喧賓奪主，掩蓋或者扭曲自己真正核心和競爭力的技術(shù)，那就在一定程度上有名不副實的問題。實際上，鋰電池命名在行業(yè)內(nèi)一般都有通用規(guī)則的，在這里可作簡單介紹：
1）以最主要的組元來命名，由于鋰電池中正極材料往往是鋰電池中能量密度最重要的決定環(huán)節(jié)，因此以其命名情況最多。比如磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈷酸鋰電池等。隨著近年來的技術(shù)發(fā)展，一些高性能的負(fù)極材料已經(jīng)登場或正在登場，因此鈦酸鋰電池、包括以后的硅負(fù)極（電池）命名也是合理的。同理，此原則相較其它體系的電池也適用，比如鎳氫、鉛酸等，幾乎是電池名就可以初步概括核心反應(yīng)。在這里我們需要強(qiáng)調(diào)：加了一點石墨烯的鋰離子電池不可以稱之為石墨烯電池，加了一點石墨烯的鋰空氣電池也不能稱作石墨烯電池。這就如同加了味精的魚香肉絲還是只被視為魚香肉絲一樣。當(dāng)然，如果加入石墨烯確實強(qiáng)化了性能，那么所強(qiáng)化的性能是需要舉證效果的，如此才能令科研與工業(yè)界信服。
2）以反應(yīng)機(jī)理/特點來命名，最為典型的是液流電池。液流電池是以液態(tài)存在的正負(fù)極物質(zhì)，用隔膜分隔在不同腔體中，利用泵將其輸送到隔膜界面處進(jìn)行電化學(xué)發(fā)應(yīng)，實現(xiàn)電能存儲或釋放的電池。就通俗視角來看，可以理解為液流電池就是幾個化工用的罐子，通過泵將反應(yīng)液體輸送到界面處反應(yīng)，實現(xiàn)電流存放。這樣的電池能量密度很低，只有幾十Wh/kg，僅適合于工業(yè)固定儲能，幾乎無法使用在汽車上。因為液流電池中釩體系相對成熟，有時也會稱之為釩電池。此前一則新聞表示，“釩”電池使用在汽車上，市場規(guī)模萬億，續(xù)航里程N公里。就專業(yè)角度而言，該訊息存在虛假之嫌。當(dāng)然，筆者沒有否定釩液流電池之意：這類電池壽命長，因此在場地條件寬松的儲能應(yīng)用場景會有自己獨特的優(yōu)勢。
初步小結(jié)：電池或以主要組元命名，或以反應(yīng)機(jī)理和特點命名，簡言之，必須是以其最為核心的組成部分或是其最有代表性的特點來命名。一旦脫離了此類原則命名方式，背后就有可能暗藏玄機(jī)：也許存在借時下流行概念加工包裝之意，也許可能是對其技術(shù)實質(zhì)的一種掩蓋。因此筆者建議大眾，當(dāng)見到一些專業(yè)而時尚的電池名字時，需要慧眼如炬，從命名開始刨根問底。
三、報喜不報憂的宣傳手法，你應(yīng)該注意什么？
近來，諸多電池在其宣傳材料中夸大事實，例如“充一次電工作兩天，能量密度1000Wh/kg，性能提高了50%，壽命X年”等，普通人可能很容易輕易相信。但實踐檢驗之后很多人或許會發(fā)現(xiàn)，此類電池技術(shù)實際運用起來卻并沒有廣告語中說的那樣神奇。那么如何從根源上篩選電池？
簡單判據(jù)：許多企業(yè)宣傳自己，推崇報喜不報優(yōu)，即10個非常重要的核心性能只標(biāo)注5個，孰不知另外的5個性能可能還不如行業(yè)平均值——。對于任何一款工程應(yīng)用的技術(shù)而言，產(chǎn)品的各方面性能都應(yīng)該達(dá)到基本的及格線，否則無法實際使用。因此如果做出的電池某個性能確實很好，企業(yè)一定會積極報道，但如果不主動標(biāo)注，則很有可能該性能做的還不夠優(yōu)質(zhì)。
因此建議對電池在實用中的每一個可能涉及到的性能都要進(jìn)行深究。如果技術(shù)提供商對這些性能推諉不透露，則該方面的特性很有可能存在短板。筆者認(rèn)為，尤其需要關(guān)注一種電池重點宣傳的性能相對對立方面的性能，比如快充電池需知曉其能量密度，能量型電池需知曉其功率密度、壽命，尤其是體積相關(guān)的密度參數(shù)，如此或?qū)⒔档唾I到不符實產(chǎn)品概率，最差也能與其討價還價一番。
以一家代表電池企業(yè)產(chǎn)品實際的規(guī)格為例：
由圖可知，該規(guī)格表中信息很全，電池的容量、功率、內(nèi)阻，尺寸等信息都已給出。而一般而言，一款電池產(chǎn)品，一般都要介紹其質(zhì)量能量密度、體積能量密度、質(zhì)量功率密度、體積功率密度，壽命、電壓、成本（價格信息可能不會放在宣傳冊中）、適用環(huán)境、安全性。在這里要強(qiáng)調(diào)一下：1）體積能量密度非常重要，同樣質(zhì)量、能量的一塊電池，如果體積特別大，完全塞不進(jìn)入實際的服役空間中去的話，也是無法使用的。而手機(jī)恰恰是因為體積空間小，因此采用的更多的是體積能量密度最高的鈷酸鋰電池。2）功率密度通俗來講，就是快充相關(guān)的特性，此處需強(qiáng)調(diào)，筆者認(rèn)為電池本體性能是否足夠好，對快充的貢獻(xiàn)占比一半以上，相比之下電控等環(huán)節(jié)要稍微小一些。
四、甄別兩種宣傳策略
其一：“性能提升XX%”。這個可以說有意義，但也可以說沒有意義，因為提升對比參照物的解釋權(quán)是在廠家手里——廠家可以制作一個性能很差沒做好的樣品作對照樣品——科研人員對此流程非常熟悉。因此關(guān)鍵不在于廠家的提升相對幅度，而在于其性能的絕對值——例如XX強(qiáng)化磷酸鐵鋰電池能量密度提升35%——可以實際求證，基礎(chǔ)/提升后的能量密度數(shù)值到底分別是多少？100Wh/kg？130Wh/kg？。
其二：“續(xù)航多少公里、待機(jī)X天”。這是科學(xué)上不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)方式，建議大眾不要輕信此類數(shù)據(jù)，更多關(guān)注在以上所述電池本體的“硬指標(biāo)”，原因如下：
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續(xù)航X公里，可以基于“馱一車電池”方法，通過堆砌大量電池來最大化續(xù)航，但是這與電動汽車實際服役中載人載貨情況截然不同，因此最多是僅供參考（并且新一版電動汽車規(guī)范里面已經(jīng)開始規(guī)定電池占整車重量比）。
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而待機(jī)X天與正常使用的耗電也不同：待機(jī)測試條件如何？是否需要開開省電模式？要不要關(guān)閉WIFI功能？這些要素一般都不能提及。在民間做此類非嚴(yán)謹(jǐn)測試還可以，但如若上升至地方產(chǎn)業(yè)投資，涉及大量金額、人力的投入，用如此感性詞語為一個地區(qū)的發(fā)展做政策指引，繼而投入千萬上億的資金，實屬輕率。
五、哪些明日之星技術(shù)可能比較有希望？
隨著科學(xué)家、工程師們的不懈努力，近年來已經(jīng)有不少新型儲能技術(shù)逐漸走向成熟，有望在未來幾年內(nèi)進(jìn)入我們的生活，給世界帶來變化。而在這些明日之星技術(shù)中，技術(shù)路線與成熟度各有不同，在這可以可做簡單介紹。
全固態(tài)電池技術(shù)：可以解決安全性、能量密度以及特殊功能（比如柔性）等需求。目前已經(jīng)有一部分技術(shù)路線接近了工業(yè)化的條件，在近幾年內(nèi)應(yīng)該會有產(chǎn)品問世，而全陶瓷等先進(jìn)技術(shù)路線可能目前更多的會朝向特種高性能電池方向發(fā)展，在隨后幾年內(nèi)也有成熟的希望。
鋰硫電池技術(shù)：解決循環(huán)與枝晶安全性是大問題，其技術(shù)成熟時間可能要更長，解決的主要是高能量密度方向的需求。
鈉離子電池技術(shù)：更多面向的是固定式儲能需求，目前該技術(shù)已經(jīng)處于實驗研究-工業(yè)孵化的階段，恩力能源與Aquion公司的技術(shù)都值得關(guān)注，日本也有廠商在加緊推出這方面的產(chǎn)品。
金屬空氣二次電池技術(shù)：該類電池理論上可以取得極高的能量密度，但是實際上還面臨著過電壓大、反應(yīng)動力學(xué)不暢、空氣中的雜質(zhì)氣體副反應(yīng)等問題，技術(shù)成熟度相對較低，走上工業(yè)化需要的時間可能較長。
后記：
鋰電池相關(guān)的新能源行業(yè)目前正在快速發(fā)展，這寄托了我國政府的殷切期望?？傮w來說鋰電池行業(yè)發(fā)展很快，但近兩年來，其中有驚喜，也有令人失望一面（例如騙補(bǔ)行為）。行業(yè)吸引人實為益事，但難免也存在不同聲音、動機(jī)之人。我們能做之事在于，為促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展，社會資源合理優(yōu)化配置，發(fā)出基于產(chǎn)-學(xué)-研經(jīng)驗的聲音，讓更多行外之人能夠了解行業(yè)內(nèi)部基本情況，從而為推動全行業(yè)健康發(fā)展貢獻(xiàn)自己的微薄之力。
