快跑，锂电池

■ 孟 迪

绿色话题

快跑，锂电池

■ 孟 迪

在电影《亲密敌人》中，一对分手但还彼此留恋的情侣，分别身处敌对的两家投资银行，为了一场收购锂资源的竞争而在职场上针锋相对，短兵相接。在热映的电影中都加入了锂元素，足见人们对锂的重视程度。

锂能做些什么呢？

锂（Li）是一种银白色的质软金属元素，也是密度最小的金属，可用于原子反应堆、制轻合金及电池等。由于它在原子能工业上的独特性能，人称它为“高能金属”。还有，锂已经成为当今高新产业发展的保障性资源和战略性资源之一，被誉为“21世纪最有应用潜力的金属”。

在能源交通领域，锂最大的应用就是电池。“锂电池”概念最早由Gilbert N. Lewis在1 91 2年提出，是一类由锂金属或锂合金为正极材料、使用非水电解质溶液的电池：充电时正极的化合物释放出锂离子嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中，放电时锂离子则从片层结构的碳中析出。锂电池因重量轻、能量大、使用寿命长（4～5年）、环保、使用温度宽等特点而备受青睐。随着科学技术的不断升级与发展，锂电池的用途也变得越来越广泛，现在马路上行驶的新能源汽车多是锂电池汽车。

锂离子电池的正极材料有多种，如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，目前国内新能源汽车主要使用的是磷酸铁锂电池。在特斯拉带红了松下的三元锂电池之后，自主品牌也都开始转向采购外资品牌，或进入三元锂电池研究领域。三元锂电池是指用镍钴锰酸锂三元材料作为正极的锂电池，镍、钴、锰的比例可以根据实际需要调整。

锂电池的关键参数是能量密度Wh/ kg。特斯拉所使用的1 8650电池，能量密度是1 50Wh/kg，其model S的85度电版，车重21 00kg，电池自重便有600kg之多，占了整车重量将近30%。不同的锂电池技术，其能量密度也有比较大的不同。磷酸铁电池的能量密度约100Wh/kg，这意味着同样的电池重量情况下，18650电池比铁电池可以多储存近50%的电量。所以比亚迪e6的电池虽然也有600kg，但由于更小的铁电池能量密度，其电量只有60Wk·h。目前的锂电池能量密度，使得电动车比同样配置的燃油车要重很多。

总体上讲，磷酸铁锂电池的理论能量密度有限，单体能量密度为120Wh/kg，成组后能量密度为80Wh/ kg；而三元电池（即三元材料电池）能量密度较高，单体能量密度为180Wh/kg，成组后110Wh/kg，相应的市场优势明显。但是三元电池的安全性没有磷酸铁锂电池高，因此两者各有优缺点，应用领域有所不同。目前国际上电动汽车电池以三元锂电池为主，在笔记本领域三元锂电池也替代了钴酸锂电池。

科学无止境，为使电动车获得更长的续航里程和更出色的性能，人们在动力电池方面的研究一直都在进行。

首先来看看日本的技术。在日本，两大电动车制造商——丰田汽车公司（Toyota Motor Corporation）与日产（NISSAN）正致力于研发新的电池技术：丰田认为镁元素较锂元素更安全，而且还可以允许密集能量储存，并已经寻找到一种方法，通过利用储氢器中所使用材料来制造镁电解质，其镁元素基础化学电池可在未来的20年内面世；而日产则想在电池中掺入一种“非晶一氧化硅”的添加剂，以使电池保留更多的锂离子，提升电池总体性能，尽管到目前为止依然没有找出利用“非晶一氧化硅”的方法。

还有，美国斯坦福大学和丰田中央研究所共同开发出一种以锌为负极的蓄电池的新技术。锌是一种较为廉价、常见一次性电池的负极材料，但反复充电后会在负极表面形成针状物质（这将破坏电池性能），因而用锌制成的电池很难用作蓄电池。该项技术实现了使锌在充电时产生的针状物质朝着不破坏电池的方向延展，实现反复充电。它没有易燃易爆风险，性能与现下的锂电池相当，但生产和储存成本较低，价格不到锂电池的一半。

我国在提高电池性能方面也取得了一些成果。中国科学院金属研究所以天然棉花为前驱体，制成超高面容量锂硫电池正极。这种复合电极在循环150次之后，可实现70%的容量保持率。这不仅展示了以天然物质为原料制备高导电性碳材料的方法，还提出了抑制锂硫电池“穿梭效应”的新思路，为开发高性能、高面容量的锂硫电池开辟了新的途径。

我国柔性钙钛矿太阳能电池已突破世界最高效率。陕西师范大学刘生忠教授和杨栋博士团队，运用固态离子液体作为电子传输材料，制备出效率达到1 6.09%的柔性钙钛矿太阳能电池，而且可以制备成柔性器件，如汽车玻璃、屋顶、人们的背包、衣服、船舶、卫星等，绿色能源将无处不在。

除了这些来自金属新材料方面的挑战，氢燃料电池车的出现也让锂电池电动车压力“山”大。

氢气（H2）是一种燃烧热值高、二氧化碳（CO2）零排放的二次能源，每千克氢气燃烧产生的热量约是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，是一种非常生态环保的清洁能源。氢燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）靠氢气和氧气发生化学反应转换成电能驱动，与纯电动汽车相比，它有加氢时间短、续航里程长、零碳排放等优点，因此被认为是未来理想的电动汽车类型。

不少发达国家都将氢能和燃料电池作为未来发展重点。2014年5月，日本经济产业省发布了《氢燃料电池车普及促进策略》，将氢燃料、氢燃料电池车相关的国际技术标准引入日本国内，并将其作为国内氢燃料电池车行业标准。2014年12月15日，丰田首款氢燃料电池车Mirai正式上市，本田、日产等企业也在积极推出自己的燃料电池车型，加氢站的建设也逐渐提速。2016年4月，日本发布新的氢能和燃料电池战略路线图，估计到2020年日本燃料电池车的销售可达到约4万辆，2025年达到约20万辆，加氢站也将从现在的80座增加到2025年的320座。德国政府也将希望寄托在电动车上，已经制定了电动汽车促进法草案。按照德国政府的设想，至2020年，德国上路的电动车数量要达到100万辆。尽管在2014年初，在德国上牌的电动车数量仅为1.2万辆。美国等国家也在积极推动本国的氢能与燃料电池计划。德勤咨询估计，2025年美国和欧洲的氢燃料电池车将分别达到85、71万辆。

我国在氢能开发利用领域也具备了一定的基础，在制氢、储存氢等部分环节位居世界前列。例如：2016年5月30日联合国开发计划署在北京东三环的联合国大楼举办了“中国未来环保汽车技术展示”活动，全面介绍了氢燃料电池客车，12米长的纯电动客车完全充电需5小时，而氢燃料电池完全充氢仅需10分钟；福田欧辉的人员表示，氢燃料电池汽车的续航里程已经达到600～700公里，与传统的燃油车非常接近。

目前，燃料电池在交通领域的应用日趋成熟，燃料电池车已经从开发阶段进入了市场导入阶段。当然，现在氢燃料电池车的售价不具有优势，售价至少是普通汽车的两三倍，主要原因是未形成生产规模、批量制氢困难等。不过，丰田公司称其氢燃料电池系统单价成本已大幅下降，到2020年可降至与目前普通混合动力车售价相当。所以，如果锂电池技术固步自封、不再加快创新发展的步伐，纯电动车新能源汽车的“第一”宝座可能不久就会“易主”了。