锂电池技术在进步 但缺乏革命性改变
时间:2015-05-18 09:32来源:未知 作者:火 凡
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近期科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》，明确提出动力电池的单体比能量2015年底达到200瓦时/公斤，2020年达到300瓦时/公斤。
众所周知，当前各种不同材料的锂电池单体比能量最高也就在200瓦时/公斤，这已经是部分锂电池的极限，而单体比能量300瓦时/公斤已经超出了部分锂电池的理论值。未来锂电池究竟该走向何方？
技术在进步 但缺乏革命性改变
回首过往十年，锂电池技术在不断进步，最为明显的感受就是电池容量明显增加了。用过笔记本电脑的人都知道，2005年笔记本电脑的续航时间一般都在2个小时左右，差点只有1个小时，而现在笔记本电脑的续航时间普遍在5个小时以上，有的甚至可以达到10个小时。
技术进步的另一明显好处就是价格在不断下滑。价格下滑使得锂电池的应用领域在不断扩大，挤占镍氢、镍镉、铅酸等二次电池的市场。
其他方面的进步还包括：电池种类不断丰富，聚合物锂电池开始占据行业主导地位，方形、圆柱形、软包电池逐步形成三足鼎立之势；充电时间明显缩短，10年前一块手机电池充满需5-6个小时，现在一般只要2-3个小时，这还是在容量翻倍的情况下……
客观来看，锂电池在这十年间的技术进步的确很大，但缺乏革命性的改变。锂电池与10年前没有两样：结构没有发生变化，主要配套材料基本没有变化。尤其是正极材料还与10年前一样，还是钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂这四种。有变化的只是不同材料的市场占比，10年前是钴酸锂的天下，现在则是钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四分天下。
LiCoPO4、Li3V2(PO4)3等高电压以及高比能量正极材料报道屡见不鲜，硅负极、金属负极等能够解决一切问题的新型负极材料频繁见诸报端，石墨烯、碳纳米管等新材料应用于锂电池也经常出现在媒体头条，玻璃陶瓷、离子液体等新型电解质层出不穷。能量密度更高、单位成本更低、循环次数更多、充电速度更快……论文有很多，投资也很大，但实际产品却还没有。
然而，下游应用市场正在发生根本性变化，手机已经完成了从功能手机到智能手机的变革，平板电脑尽管还不能取代笔记本电脑，但已经占领了部分市场，电动汽车的兴起正在引领汽车革命，可穿戴设备正在快速兴起，这些都对锂电池提出了更高的要求。
事实是，目前锂电池还达不到智能手机、电动汽车提出的要求。2005年手机电池容量只有1000mAh左右，其待机时间可以轻松到1周，正常使用2天没有问题，而现在容量达到3000mAh的手机待机时间能有2天就不错了，实际用起来连一天都坚持不了。
作为消费电子产品，手机充电非常方便，不管是在家还是在单位都很容易解决。而移动电源的出现进一步解决了外出无法充电难题，所以手机电池问题还不是很突出。
但电动汽车就完全不一样了。大部分电动汽车的续航历程只有200公里左右，这与内燃机汽车500-600公里的续航历程相比差距甚远，就算是特斯拉也只能达到400公里，这是增加了大量锂电池的结果。
这还不是最大的问题，真正影响电动汽车使用的还是充电时间长、充电设施严重不足。正常速度下，电动汽车的动力锂电池完全充满需要4-8个小时。如果加快速度的话，可以在1-2小时内充满，但会影响到动力锂电池的性能及寿命。
已有实验证明，如果一直采用快速充电，动力锂电池的寿命会骤减至原来的三分之一，且电池性能会显著下滑，安全事故发生概率大大增加。内燃机汽车则不存在这样的问题，加油或者加气时间不超过5分钟，安全性和稳定性都能够保证，加上现在加油站非常普遍，使用非常快捷方便。更为重要的是，锂电池作为汽车动力的成本太高，已经占到电动汽车总成本的一半左右。
体系严密 牵一发而动全身
锂电池看起来结构非常简单，正极材料、负极材料、隔膜和电解液，再加上电极。事实上，别看它不起眼，锂电池材料体系非常严密，真正是牵一发而动全身。如果要动它哪怕一分一毫，假设只是一个电极换成新材料，没有长年累月的测试，谁也不敢打包票。
锂电池从上世纪七十年代问世，到九十年代由索尼实现量产，再到今天锂电池已经诞生了近半个世纪，材料体系发生了较大变化。正极材料从最初的钴酸锂发展到现在的钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂并行，可谓是进步不小。
但实际上每种正极材料从发明到实际应用再到锂电池量产，至少花费了上十年时间。每种正极材料的改变，就算不改变负极材料，其电解液的组成以及隔膜都要做出相应改变，以达到最佳匹配效果，同时还要经过长时间的安全测试，验证其安全性，最后还要经过产业化过程，这样才能步入市场。不仅如此，其还需要市场检验和客户认可，同样需要花费时间。这也是现在锂电池材料研究非常热火，各种新材料、新技术报道层出不穷，而锂电池本身进步缓慢，材料体系基本没有变化的根本原因。
相比较而言，在不动锂电池材料体系的情况下，在制造工艺以及电池管理技术上改进就容易得多。软包电池的出现以及锂电池容量不断提升就是制造工艺技术不断进步的结果。
同时，为了满足可穿戴设备等新产品的需求，松下开发出直径为3.5mm、长度为1cm的针型锂电池，三星则推出了直径3.6mm、长约20mm的超小型Pin电池。随着智能手机柔性化趋势凸显，各种柔性、可弯曲锂电池产品相继问世。在电池管理技术方面，特斯拉是其中的典范，其先进的电池管理技术，创造性将超过6000个圆柱型锂电池单体通过串并联方式成组，成功降低了电池成本，提高了储能效率，为特斯拉引领电动汽车变革奠定了基础。
未来路在何方
尽管特斯拉为电动汽车发展提供了全新的发展思路，但只是治标不治本，在锂电池性能没有明显提升的情况下，电动汽车想大规模推广难度非常大。那么问题来了，锂电池性能如何进一步提升？未来向什么方向发展？
笔者认为，应用市场需求是带动锂电池进步最大的力量。二次电池的发展历史充分证明了这一点，镍镉、镍氢等电池的兴起在于小型消费电池产品市场的带动，而衰落也在于这一市场被锂电池所蚕食。
铅酸电池能够占据二次电池最大市场份额，在于其占据汽车启动电池市场，这也是其经久不衰的根本所在，但由于其缺乏新的应用市场，铅酸电池技术进步十分有限，同时还面临着锂电池的强力竞争。
当前，锂电池已经完全占据消费电子产品市场。随着消费电子产品不断发生变革，锂电池也在不断进步。由于目前还没有出现能够在消费电子产品市场与锂电池竞争的二次电池，锂电池还将占据消费电子产品市场很长一段时间。
同时，锂电池正在逐步打开在电动工具、电动自行车、电动汽车等动力电池市场，为其未来技术进步提供了良好的动力，再加上其竞争对手燃料电池、液流电池等新型电池还处于起步阶段，离产业化还有一段距离，这为锂电池技术变革提供了难得的历史机遇期。
因此，笔者认为，锂电池未来发展方向应该瞄准动力电池、储能电池，在竞争对手尚未发展起来的机遇期，通过提高电池比能量、降低生产成本、增加循环次数，积极占领汽车动力市场，拓展储能市场，挤占铅酸电池市场空间，利用产业化优势对燃料电池、液流电池等新型电池产业化进程造成影响，进而抢占有利竞争地位。
要实现上述目标，最根本还在于锂电池实现革命性变化。从当前锂电池的材料结构看，正极材料已经成为制约其性能提升的最关键因素。
不管是现在已经产业化的钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂，还是在研究当中的各种新型正极材料，都存在局限性：一是理论比能量有限，相对于负极材料而言；二是实际比能量和理论值还有较大差距；三是锂电池充电时间过快的话就易造成正极材料结构发生变化。因此，笔者认为要实现锂电池革命性变化，必须首先突破正极材料的限制。
一方面是继续开发全新的正极材料，具备工作电压高、理论和实际比能量高、温度特性好、材料来源丰富、循环寿命长、安全可靠、成本较低等特性，从材料特性以及过往的正极材料研究历史看，要实现这一点难度非常之大，10年、20年内完成的可能性极低。
二是充分发挥现有正极材料的潜力，创造性运用以纳米技术为代表的新材料制备技术以及碳纳米管、石墨烯等新材料，通过对现有正极材料改性、包覆等手段，改进现有正极材料制备工艺，解决当前正极材料存在的实际比能量低、充电时间长、生产成本高等问题，加快锂电池在动力市场、储能市场的应用。
笔者认为第二种方法实现的可能性较大，一是它不需要对现有锂电池材料体系做大的改变，只需要细微调整，难度低、时间短；二是纳米技术等新技术和碳纳米管、石墨烯等新材料正在不断成熟，为其在锂电池中的应用奠定了很好的基础。
一旦正极材料实现突破，也必然要求锂电池整个材料体系发生变化，只有这样才能实现锂电池性能根本性提升。当然，隔膜、电解液要实现突破也是存在难度的，相较而言，负极材料突破的难度就小得多。另外，电池制备技术和电池成组技术进步也是必要的，这也是提升锂电池比能量以及降低成本的重要因素。
(责任编辑：王杰)
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