電池研究院丨電池的昨天、今天與明天
【太平洋汽車網 文化頻道/技術頻道】鋼鐵俠伊隆·馬斯克於本週三發佈了特斯拉新型鋰離子電池，新配方電池真的能引領整個新能源汽車工業往更加正確的方向前行嗎？
先不下結論，不如先跨越世紀看看電池的昨天和今天，我們再來討論電池的明天。
“Electric Battery”的中文翻譯“電池”二字可謂精髓至極，將“電”放進一個“池子”裏面儲藏着，用的時候再放出來。
這讓筆者不禁想起歷史上最古老的電池——雷神索爾那把據稱有19.2公斤重的“雷神之錘”……
公元1世紀，斯堪的納維亞半島上的居民們因敬畏上天（天氣現象）編了一堆神話，口口相傳就成了北歐神話體系，其中主神奧丁最強大的兒子索爾司掌雷電與戰爭。星期四的英文“Thursday”正是源於索爾“Thor”之名，所以筆者建議充電樁企業可以在每週四弄個5折的“索爾充電日”。
雖説中世紀之後基督教入侵北歐並把北歐神話作品當異端邪説剷除清光，但手握雷神之錘擊殺巨人的雷神形象依然在美國好萊塢的幫助下保存了下來。
這幅《Thor's Fight with the Giants》油畫創作於1872年，作者是瑞典藝術家馬騰·埃斯基爾·文奇(Marten Eskil Winge)，現藏於斯德哥爾摩國家博物館。
特斯拉品牌的T來自Tesla之名，形似雷錘
實際上，同時期的中國也有同類型的神話傳説，筆者三年前在“皆電GeekNEV”開刊詞《願我們成為富蘭克林的風箏》中曾提到過秦漢時期的“電公雷母”概念。
以上的東西方典例均是神學範疇的內容，但古代人類真的完全不懂電與電池為何物嗎？
恐怕是了。
下面有個不太靠譜的例子：
1936年，伊拉克鐵路工人在首都郊區挖掘到一組“巴格達電池”（Baghdad Battery），德國考古學家卡維尼格對外宣稱：“這些出土的銅管、鐵棒和陶器是一個古代化學電池，只要向陶瓶內倒入一些酸或鹼性水，便可以發出電來。”
見到這顆巴格達電池時，筆者的第一反應就是：又是一枚“歐帕茲”（Out Of Place ARTifactS），這跟我們國內“上週”剛建好的“西周”古蹟沒什麼區別……
別扯了，入正史。
人類歷史上第一個關於“電”的記錄，在公元前6世紀前後，古希臘哲學家泰勒斯發現摩擦後的琥珀可以吸起絨毛和木屑，遍認為這些死物內部其實有生命靈魂的，只是肉眼看不見而已。
連小學《自然》課都沒上過的大哲學家泰老師不知道，其實是靜止的電荷在物體內部積聚，一旦打破舒適區它們就要就炸毛。
人類又過了整整20個世紀，才勉強打開了電磁學的大門，然而此時愚鈍的人類根本無法將電儲藏起來挪為己用。
直至17世紀，荷蘭萊頓大學（Leiden University）的彼得·範·穆森布羅克教授（Prof. Pieter van Musschenbroek）發明了萊頓瓶（Leyden jar），人類第一次捕捉到了電。
穆森布羅克教授高興得像個200斤的大孩子，就像第一次學會用精靈球的小朋友。4個世紀之後，萊頓大學依然拿着這個典故來招生……
電是抓住了，但如何源源不斷地捕捉/生產電呢？這個問題要到18世紀中葉才能回答，答題者是美國開國大神本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin），他從蒼天哪裏取得了雷電，從暴君那裏取得了民權。
光榮的富蘭克林院士並未完成18世紀的電學成就，意大利物理學家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）在這個世紀最後一年造出了中國高中生最討厭的“伏打電堆”，成為了世界上第一組化學電源——“巴格達電池”不靠譜，別信。
為致敬伏打老師對電學的貢獻，電壓單位便成了Volta。
隨着19世紀初發電機與電動機相繼發明，電學進入了一個全新的紀元。準確來説，19世紀是屬於電池的第一個光輝世紀。
1802年：Dr. William Cruikshank設計了第一個便於生產製造的電池。
1836年：英國化學家John Frederic Daniell為提供穩定的放電電流對電池做了改進，此時電壓終於提升到1V以上。
1859年：法國物理學家Gaston Planté發明了鉛酸二次電池，這是一款偉大的化學電源，足足12V電壓，可重複充電循環使用，一直玩到了21世紀，當前年銷量超過半個億。
1868年：George Leclanché開發出使用電解液的電池。
1881年：J.A.Thiebaut取得乾電池專利.。
1888年：Dr. Gassner開發出第一個乾電池，1896年美國開始量產乾電池，如今中國年產乾電池數量超過1000億個。
1890年：Thomas Edison發明可充電的鐵鎳電池。
1896年：D型電池誕生，這也是我們越來越少用到的1號電池。
1899年：瑞典發明家Waldmar Jungner發明了鎳鎘電池。
電池與車輛的結合，在19世紀中頁開始，20世紀前頁達到頂峯。從郭睿同事編撰的《電動車坎坷發展史》（上圖）上可知，1900年在美國上牌的汽車當中，電動汽車佔比38%，是汽油汽車的將近2倍。
然而，汽油內燃機的快速崛起，讓初期發展的電動汽車完全沒有了競爭力。隨着石油提煉技術的提升、油站建設的鋪開，一個中心化的汽車補能網絡建立而成。
由於電池儲能能力的孱弱，只有數十公里的電動汽車縱使擁有尼古拉·特斯拉這種遠程輸電大神打造的去中心化補能網絡助力（如上圖文章），也無力迴天。
20世紀的電池研發史，奠定了今天全球電池技術的大綱。
20世紀前半段，電燈終於點亮了這顆星球更多的黑暗部分，然而電池技術依然在黑暗時期，鉛蓄電池運用在各行各業（包括汽車12V電源），可充電的鐵鎳電池與不可充電的鹼性電池相繼量產，但性能極弱。有趣的是，那個年代使用電池最多的器械居然也是在黑暗中度過的——潛水艇。
著名的德國U型潛艇橫跨了第一次和第二次世界大戰，那時候沒有核反應堆，潛艇水下航行速度很慢、續航很短，那是因為沒有氧氣供柴油機工作時就只能使用電池提供能源。
極為孱弱的電池能量密度，很好地解釋了兩件事：
1、為什麼U型潛艇需要裝一門甲板炮？ → 缺電是常態，在水上航行是常態，這時候甲板炮最好用。
2、為什麼U型潛艇如此怕驅逐艦？ → 電壓太低、電流太弱，只有幾節航速的水下潛艇就是深水炸彈的活靶子。
在中國抗戰時期，軍用電台主要使用兩種電池：一次電池（乾電池）能用10天左右，但我們很難獲得；二次電池（濕電池）可以用1年左右，可以使用手搖式（下圖）或者腳踏式發電機進行循環充電。
我方電台
日方電池
隨着二戰後的第三次科技革命，人類對儲電系統的依賴越發嚴重，然而電池的性能依然難以支撐我們的需求。
不是人類太懶，而是能試的材質和方式基本都試過了，就是造不出一顆既安全又高儲量的電池。下方截屏是目前全球科學家試驗過的電池種類：
第一次讓“便攜”一詞成為現實的是“大哥大”。
東西南北中，發財到廣東。80年代末，一斤重的移動電話進入香港與廣州市場，2萬多一台的價格，充電10小時只能撐30分鐘，電池記憶效應強，得配一個放電器放空了再充，最好每月進行一次深度充放電。
這種巨型的電池就是鎳鎘電池，可循環1100次（實際用起來差遠了），而且還非常容易產出“鋰枝晶”，讓陽極材料變形導致短路，如下圖。
然而並不要認為這款最終因為安全問題被批量召回的電池是最失敗的電池作品，因為世界上比它失敗的電池有足足數億種。
移動電話的電池從鎳鎘到鎳氫，再到鋰離子電池，這條路走了30多年，每一步都非常不容易，特別是邁入鋰離子電池這一步，消耗掉了人類極多的運氣（筆者認為比解決古巴導彈危機還好運）。作為參考，單單索尼一家，在1986年-1991年間研究鋰離子電池期間使用過的正極、負極、電解液組合達到1億種以上……
用清華大學汽車工程系博士 @張抗抗 先生的話來説就是：鋰電池的發明並不是人類科技樹的必然結果，而是一項奇蹟。
我們今天能用着刷着智能手機、聽着真無線耳機、吃着電動車送來的外賣宅家度日，還得感謝三位2019年諾貝爾化學獎得主——邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）、約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）、吉野彰（Akira Yoshino）。
邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）從第一次石油危機（20世紀70年代）開始投入電池科技研發，他指明瞭“鋰嵌入”技術路線，提升了充放電反應的可逆性，提升了安全性，是給我們帶來宅家福利的“鋰電之父”。
今年98歲高齡的“足夠好先生”——約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough），其實從54歲才開始研發電池。古迪納夫博士是鋰電池領域最大的功臣，三大鋰電池正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰）都是他帶領的團隊找出來的，其中鈷酸鋰誕生在1980年，使用石墨為陽極並解決了“鋰枝晶”現象。
因為鈷酸鋰方案過於前沿，在當年堪稱痴人説夢（連古迪納夫博士的母校牛津大學都不理他了）。這世界只有瘋子會欣賞瘋子，而這個投錢的“瘋子”是日本索尼。在剛剛提到的一億種方案中，索尼找出了第一種可量產化的鋰離子電池方案，並在1991年將其投入市場。
古迪納夫博士 × 索尼 = 宇宙最強大腦
不接受反駁，因為當今遍佈全球各產業的鋰離子電池運用就是從這裏開始的，而在鋰離子電池之前，沒有任何一款電池可以同時做到：
1、工作電壓高
2、體積小重量低
3、無記憶效應
4、自放電少
5、能量密度高
6、循環壽命較長
可以説，古迪納夫博士的鋰離子電池技術塑造了現代人的生活方式。
吉野彰（Akira Yoshino）也是神人一位，吉野教授在1983年開發出鋰離子電池原型，最終確立了現代鋰離子電池基本框架的。這位日本老頭子喜歡去風俗店，在25年前就跟媽媽桑誇下海口説他會拿到諾貝爾獎的。
都説“男人的嘴，騙鬼的人”，然而他真的拿到了諾獎……
在鋰離子電池上市前一年，日後的死對頭鎳氫電池正式上市，這也是我們平常用得最多的充電電池（下圖“愛老婆電池”）。
鎳氫電池研發時間長達20年，德國戴姆勒-奔馳和大眾都有投資，豐田普鋭斯則是最喜歡用鎳氫電池的新能源車，淺充淺放可以隨便玩10年以上。
80年代出生的朋友們應該對日本便攜式CD機和MD機很熟悉。在蘋果iPod問世之前，這兩款轉盤式便攜播放器在我們這代人當中很受熱捧，這批機子多數用的都是鎳氫電池，日本廠商喜歡稱之為“水素電池”。
為什麼鎳氫電池佔領電動汽車市場？還是因為能量密度的問題。
筆者還有一堆香口膠電池
鋰離子電池的能量密度足夠高，在安全性趨向於穩定之後，戴爾率先在筆記本電腦上使用了鋰離子電池。2012年上市的特斯拉Model S，就是用7000多節筆記本鋰離子電池驅動的，如此變態的封裝技術和電控技巧，膝蓋獻上。
目前的鋰離子電池並不甚穩定
不過，鋰離子電池生產大國目前並不是美國。早在2004年，中國鋰電池行業就已崛起，待至2008年終於形成中/日/韓三分天下的行業大局，這個態勢一直維持到現在。
正因為有了成熟的鋰離子電池技術與產業，電動汽車在21世紀重新迎來了新生。大家可以點擊下方郭睿同事的文章《電動車坎坷發展史（下）》進行更深度的瞭解。
目前鋰離子電池行業主要有以下幾種解決方案：
1、三元鋰（鎳鈷錳酸鋰Li[Ni-Co-Mn]O2或NCM）：當今動力電池行業用得最多的方案，其中用於穩定結構的Co鈷，用量已經大幅下降（最低可以到1%左右），能量密度大增的NCM811高鎳電池將成為主流，但安全性有待考驗。
2、磷酸鐵鋰（LiFePO4）：比亞迪最愛的“鐵電池”（目前進化成“刀片電池”），成本低，安全性好，壽命長，能量密度低。
3、鈷酸鋰（LiCoO2）：智能手機、筆記本電腦、數碼相機最愛，能量密度高（能量型電池），壽命短，熱穩定性差，比功率低。反正手機不會像車一樣用足10年，滿足大容量輕重量就行。
4、錳酸鋰（LiMn2O4）：用在電動工具、醫療器械、電動汽車、混動汽車之上，功率大，能量密度中等。
5、鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO2或稱NCA）：運用在工業領域、醫療器械、電動汽車（特斯拉等），類似鈷酸鋰，能量密度高（能量型電池），可以做到低鈷。
6、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）：負極使用鈦酸鋰，運用於UPS、便攜工具、電動汽車（三菱iMiEV、飛度EV等），壽命長，充電快，能量密度最低，價格高，卻是最安全的鋰離子電池。
電池技術瓶頸真的無法突破嗎？
跨越式發展暫時是沒有的，不針對中國，而是全球電池研發與生產均沒辦法進行質變式的突破，如果你看到有新聞説“充電速度縮減90%”、“能量密度增加200%”之類的新聞，99%是假的。
很難嗎？很難，因為一塊簡單的電芯（基礎元件）需要受到多達6個維度的因素制約：循環壽命、功率密度、能量密度、工作温度區間、安全、成本。
6個維度的表現，就像是遊戲裏的“技能樹”，我們手中只有有限的技能點，不能讓所有維度的表現都全優，除非你願意用200萬成本打造一台15萬家用車的電池組，以做慈善的方式促進我國新能源事業發展。
根據J.D.Power發佈的《2020中國新能源汽車體驗研究SM（NEVXI）》，中國電動汽車用户的續航期望值是554.4km，目前市面上的電動汽車平均值是366.1km。理想很豐滿，現實很骨感。
A、電池能量密度太低（續航差）
B、電池安全性不佳（總是燒）
C、充電時間過長（礙事）
D、電池價格過高（車價高）
四座大山立在電動汽車消費者面前，跨不過去，就永遠無法完全替代使用汽柴油燃料的內燃機汽車，即使我們有再大的願景和決心。
電池的未來是怎樣的？實話實説，沒人知道，即使像古迪納夫博士這種用“上帝視角”看人類的大神也無法直接回答。
下面有數種技術路線，大家多少也聽過一些：
前兩年，石墨烯概念炒得比綠水鬼還火，各種真假新聞充斥網路。實際上，石墨烯並不能像那些媒體人説的那樣大大增加電池能量密度，它只是相當於內燃機的渦輪增壓器，在理論上可以提升充放電速率而已。
但石墨烯真的是一個徹底的騙局嗎？也不全是。
相比於在鋰離子電池中的運用，石墨烯更有希望在超級電容中使用，其堪稱變態的充放電效率可以讓充放電成為一種享受。
問題是，超級電容器的能量密度只有鋰離子電池的1/10左右，所以使用超級電容器充當動力電池部分的電動汽車只有極短的續航，當一下園區內的接駁巴士還成。
發佈無鈷電池概念（非磷酸鐵鋰）的“蜂巢能源”，前身是長城汽車動力電池事業部，自2012年起開展電芯研製，2018年2月獨立，總部在江蘇無錫。上一年7月，蜂巢能源發佈了無鈷電池和四元電池的“概念”。為什麼説是概念呢？因為至今還沒有更多消息露出。
因為地球上探明的鈷多數都在剛果（金），最瘋狂的時候從20萬一噸漲到60萬，低鈷或者無鈷才是出路。
據蜂巢能源介紹，無鈷材料性能可以達到NCM811同等水平，材料成本降低5~15%，相應帶來的電芯BOM成本可以降低約5%，且會讓材料不受戰略資源影響。
蜂巢能源稱這款產品研發過程進展順利，年底前將完成材料開發，2020年3月完成材料體系的進一步優化，2020年8月體系定型，2021年11月將實現無鈷電芯的SOP。
鈷可以穩定結構，鎳則提升容量，集中力量開發高鎳化動力電池已經成為行業共識，但是更高的能量密度也伴隨着更活潑的化學性能，安全性能是整個行業必須要正視的問題。
在此背景上，蜂巢能源開發出四元正極材料，並基於該材料發佈了全球首款四元材料電芯，其循環性能優於目前市場上常見的NCM811材料，可以做到容量更高、壽命更長、安全性更好。
據悉，四元材料電芯項目於2018年9月立項，將在2019年底前完成材料開發，預計將於2020年12月實現材料SOP，將在2022年11月實現基於四元材料的電芯SOP。
全固態電池就是電芯裏面沒有流體（液體/氣體）的電池。因為內部全面採用固體結構，同樣容量下的全固態電池比目前裏頭包着電池液的鋰離子電池要更加輕薄，這意味着全固態電池的能量密度遠高於一般鋰離子電池了。
目前在一些實驗室中，研究人員已經試製出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池。一旦大批量生產，只要平均價格能下去，電動車的續航能力將有望突破1000km，這可是柴油車才有可能挑戰的大限。
再往更高處想一下，足夠輕、足夠大容量的全固態電池低價鋪貨之後，電動飛機是不是要成為現實了呢？
更重要的是，全固態電池接下來還有望進化成柔性電池，可以適應未來可穿戴設備的電池需求。誰家先突破，誰家就要先賺翻。
只不過，固態電池有一個很大的問題，那就是很難實現快充。這是物理短板，基本無法突破的。
古迪納夫博士研發了當今鋰離子電池領域的三大正極材料，目前業界的負極材料多用碳素材料（好消息是中國石墨儲量佔全球70%），非碳負極材料則有四大系列，包括硅基材料。
硅的理論容量超過石墨10倍以上，造成電池的話有望提升大約50%的能量密度。
此前的學者都不知道硅那麼好用嗎？都知道，只是解決不了硅基材料體積膨脹的問題。
石墨與硅的充放電機理不同，石墨是鋰的嵌入和脱嵌，硅則是合金化反應，硅的脱嵌鋰反應會令其體積膨脹3倍，電池內部結構破壞之後，就沒後文了。
此前特斯拉曾經放風要發佈一款基於硅納米線負極打造的電池，業界先鋒企業Amprius利用微小的碳納米線（A4紙厚度的1/1000）儲藏鋰，硅納米線與鋰結合之後不會破裂。
鋰離子電池首次充電時會形成SEI膜（固體電解質界面），消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然降低了內部短路風險、防止溶劑分子的共嵌入（提升循環壽命），但也因此降低了總容量。為此，我們可以通過預鋰化對電極材料進行補鋰，抵消SEI膜的鋰離子消耗，從而提高電池的總容量和能量密度。
用人話來説就是：茄子太吸油，所以我們炒茄子時多放油……
預鋰化技術有很多個方向，其中正極補鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等，負極補鋰可以使用鋰箔補鋰、硅化鋰粉等等，在此不作展開。
2015年，鋁離子電池領域突發一個新聞，斯坦福大學和湖南大學的幾位教授在《自然》上發表了一篇創新性鋁離子電池的研究報告，聲稱鋁離子電池有潛力做到充電1小時（超充）、用電3-4天（高容量）。
很明顯，這只是一個實驗性質的雛形，距離成品還有一個跟斗雲的距離。5年過去了，沒後續，暫時別想了。
氯離子電池、氟離子電池、鈉離子電池……
電池的研發過程就是在元素週期表大海撈針的過程，全球研發人員對此的試驗次數以“億次”為基本單位。
此外，無極耳設計（剛剛發佈，如下圖）、CTP設計（比亞迪刀片電池）、4680電芯（算是特斯拉的CTP技術）
隨着電池的不斷進化，極度追求輕量化的無人機成為了現實，鋰電池潛艇成為了現實（日本已有下水案例），伊隆·馬斯克也曾表示：一旦電池能量密度達到400Wh/kg的時候，電動飛機將成為可能。
筆者認為，化石能源將在核聚變發電技術商用化之後變得無足輕重，人類接下來面臨的問題不再是能源短缺，而是如何儲藏取之不盡用之不竭的電能。
答案依然是——偉大的電池！
核電站不是説開就開、説停就停，功率也不能隨着實際用電負荷進行快速反應，因此除了陪火力發電機組進行調峯之外，還可以在核電站選址時就找到一個高於核電站的上水庫來儲能。
抽水儲能可以説是大容量電能儲藏的最古典打法了。多餘的電能用於抽“下水庫”的水到“上水庫”，將電能變為重力勢能儲藏，需要用電時倒流發電，這或許是地球上最大的“電池”了。
比較典型的“車電互聯”Vehicle-to-Grid案例就是蔚來不久之前推出的“反向換電”（威馬目前也有V2G項目落地），用户將充滿的電池運到換電站換走當前最低電量的那塊電池，而這個概念其實不是蔚來開創的，而是美國特拉華大學的Kempton和Letendre在1997年提出。
設想是很好的，V2G的確可以幫助整個電動汽車社會削峯填谷，問題是目前動力電池的循環壽命太珍貴了，1000個充放電循環下來，多數鋰離子電池的性能都會大大削減（對於電動汽車體驗而言），電網/車企給予的V2G補貼又無法填平動力電池循環壽命的坑。
除非電池循環壽命能到達4000次甚至更多，否則V2G技術只能算是一種“為愛發電”的行為藝術……
首先聲明一點：“氫燃料電池”不是一種電池，而是一種換能裝置，可以類比汽柴油發動機。
充當“電池”角色的是儲氫罐，這是一種高壓設備，技術含量很高，造起來一點都不比目前的三元鋰電池容易。下方文章《以氫氣召喚未來》是筆者在5年前寫的一篇氫燃料電池車技術原理與行業分析。
文章太長太枯燥，我用人話來解讀：電很難儲藏起來，所以將能量轉化成氫氣方便保存，像汽柴油一樣運到各地的加氫站，車輛用氫燃料電池進行發電。
“電”並不新，但全新的電能生產模式、電能儲藏模式、電能運輸模式、電能消費模式，卻是指引未來生活（不單指汽車生活）的重要因素，通過質子交換膜獲取氫氣中所儲電能的高效、環保、安全方法，更值得大財團投入研發資金。
我們不敢肯定未來社會一定是屬於“氫”的，氫燃料電池車甚至可能在成本無法大幅降低、加氫站網絡無法鋪開、制氫與儲氫技術無法突破等壓力下退出市場成為歷史，但有一點是肯定的：氫能社會所代表的“環保”理念是真正的環保（反面例子是半噸電池上身還敢説自己“環保”的純電動車），整個氫燃料電池能量轉化過程的副產品只有“水”——我們的生命之源。
人類在18世紀學會了電的使用與儲藏，與當年直立人學會用火一樣擁有史詩般的意義。電池技術經過19世紀與20世紀的迅猛發展，當今世界已經徹底離不開電池了。
小如無線耳機，大如純電公交；低如彈道導彈潛艇，高如登月火箭；近如外賣小車，遠如越洋船舶……電池成為了驅動世界的一股不可或缺的中堅力量。
在潛力無限的核聚變發電技術促成下，未來世界更需要儲電技術的支撐。
真正環保的氫氣儲電，或許是我們的最終答案。
（文：太平洋汽車網 黃恆樂）