當(dāng)諾貝爾獎(jiǎng)的光芒照亮動(dòng)力電池，技術(shù)突破還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

2019年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫、英國(guó)科學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰三位科學(xué)家在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

正是這三位鋰電池之父，帶領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)敲開了新能源電動(dòng)汽車的大門。而鋰電池帶給汽車業(yè)的是從化石燃料轉(zhuǎn)至清潔能源的跨越式改變。從鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池，到磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池，以及最新前沿的全固態(tài)電池，看似遙遠(yuǎn)的諾貝爾光芒，已經(jīng)照亮了動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)。

漫漫鋰電池征程

縱觀鋰電池發(fā)展史，鋰電池在汽車領(lǐng)域的初亮相，三位科學(xué)家功不可沒(méi)。首先要提及的是英國(guó)科學(xué)家惠廷厄姆，他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了世界上首個(gè)新型鋰離子電池。

隨后，美國(guó)科學(xué)家古迪納夫等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能，而這一材料成為了目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的鋰電池正極材料。繼惠廷厄姆發(fā)明了可充電鋰電池后，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，古迪納夫發(fā)現(xiàn)了比先前的硫化鈦更適合做鋰電子電池陰極的材料——層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰。

而日本科學(xué)家吉野彰則在古迪納夫的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了更適合的含鋰化合物陽(yáng)極材料，確立了現(xiàn)代鋰電池的基本框架。吉野彰設(shè)計(jì)的鋰離子電池以碳基材料為陽(yáng)極，以鈷酸鋰為陰極，完全去除電池中的金屬鋰，采用了含鋰化合物，提高了安全性。1991年，兩人合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。根據(jù)正極材料的不同，這種鋰離子電池被稱之為“鈷酸鋰電池”。

作為鋰電池的鼻祖，鈷酸鋰電池作為動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用并不多。最早用于特斯拉Roadster上，但由于其循環(huán)壽命和安全性都較低，事實(shí)證明其并不適用作為動(dòng)力電池。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，特斯拉運(yùn)用了號(hào)稱世界上最頂尖的電池管理系統(tǒng)來(lái)保證電池的穩(wěn)定性，但仍無(wú)法擺脫安全性的問(wèn)題，尤其是在劇烈撞擊之下。穩(wěn)定性和成本問(wèn)題阻礙著鈷酸鋰電池的普及，使其只能應(yīng)用于日常3C產(chǎn)品之中。

隨后，新能源電動(dòng)汽車也經(jīng)歷過(guò)錳酸鋰電池時(shí)代，該電池由日本AESC提出，最早應(yīng)用于日產(chǎn)聆風(fēng)之上，價(jià)格低，能量密度中等，安全性也一般的性能，讓其逐步被新的技術(shù)所替代。

磷酸鐵鋰電池的問(wèn)世，才算是真正意義上改變動(dòng)力電池生產(chǎn)和使用現(xiàn)狀。相較于鈷酸鋰的層狀不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰電池的空間骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，鋰離子在骨架的通道中也能快速移動(dòng)。同時(shí)，更為廉價(jià)的原材料價(jià)格，也讓磷酸鐵鋰制造成本更低。

盡管磷酸鐵鋰電池至今仍經(jīng)久不衰，但其能量密度較低也是不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，盡管其具有高安全性，但其能量密度低會(huì)導(dǎo)致其裝機(jī)電池重量大，目前更多的是應(yīng)用于新能源客車領(lǐng)域。

但2016年以來(lái)，三元鋰電池開始進(jìn)入人們的視野。三元鋰電池指的是陽(yáng)極材料使用鎳鈷錳三種材料按一定比例混合搭配的鋰電池，根據(jù)材料配比的不同分為不同型號(hào)，也因此具備了更多的研究拓展方向。

在能量密度方面，三元鋰電池明顯地優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。而且由于研究尚處于開始階段，能量密度的提升甚至技術(shù)的突破可能更多，因此，三元鋰電池成為更多廠商的選擇。目前，主流的動(dòng)力電池制造商三星、LG化學(xué)、寧德時(shí)代等都將其作為主攻方向之一。

就目前的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而言，三元鋰電池雖然興起較晚，但作為最新最熱門的動(dòng)力電池選擇，裝機(jī)量仍不斷增長(zhǎng)。高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）最新發(fā)布的《動(dòng)力電池月度數(shù)據(jù)庫(kù)》統(tǒng)計(jì)顯示，2019年1-8月國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池裝機(jī)量約38.4GWh，同比增長(zhǎng)66%。其中，前8月三元鋰電池裝機(jī)電量約為25GWh，同比增長(zhǎng)85%；磷酸鐵鋰電池在新能源客車和專用車中裝機(jī)量比較大，逐步回暖。

熱失控難以規(guī)避？

但隨著電動(dòng)汽車的興起，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其問(wèn)題顯現(xiàn)得也更快。

自燃問(wèn)題首當(dāng)其沖，熱失控成為電動(dòng)汽車企業(yè)尤其是動(dòng)力電池生產(chǎn)商最為困擾的問(wèn)題。有研究表明，熱失控是引發(fā)電動(dòng)汽車自燃的主要原因之一。在“第三屆國(guó)際電池安全研討會(huì)（2019IBSW）”上，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高表示，導(dǎo)致熱失控的原因中，正極釋氧、負(fù)極析鋰、隔膜崩潰是三個(gè)主要原因。

理論上講，除了機(jī)械碰撞、充電過(guò)充等操作問(wèn)題，正極和負(fù)極結(jié)合的時(shí)候，負(fù)極被氧化，正極釋氧與負(fù)極反應(yīng)劇烈放熱，也可能導(dǎo)致熱失控。而隨著隔膜性能的不斷增強(qiáng)、正極三元材料鎳含量不斷提高、釋氧溫度不斷下降，正極材料熱穩(wěn)定性也會(huì)隨之降低。

此外，歐陽(yáng)明高表示，全生命周期安全性中最主要的影響因素就是析鋰，如果沒(méi)有析鋰衰減，電池安全性并不會(huì)變差。同樣是析鋰，析鋰的多少導(dǎo)致的結(jié)果明顯不一樣，析鋰多的放熱量大，析出鋰會(huì)直接跟電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)大量溫升，將直接誘發(fā)熱失控。

一位從事鋰電池研究的工程師10月10日在接受新京報(bào)記者采訪時(shí)表示，如果鋰離子在析出的過(guò)程中不能完全嵌入陰極材料，使得部分鋰沉積在陰極材料表面，形成尖銳的峰狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展就容易刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短接，進(jìn)而熱失控引發(fā)燃燒爆炸。

古迪納夫曾在2017年2月接受訪談時(shí)表示，對(duì)于電動(dòng)汽車中的鋰離子電池而言，問(wèn)題就在于它使用的易燃性電解液，除了易燃性外，當(dāng)金屬鋰和鹽析出形成枝晶之后，很容易刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路，引發(fā)燃燒；同時(shí)，鋰離子電池保持長(zhǎng)壽命的工作電壓很有限。

古迪納夫認(rèn)為，鋰離子電池的安全問(wèn)題目前還是比較明顯，過(guò)度充電等問(wèn)題很容易造成鋰離子電池的安全性出現(xiàn)問(wèn)題。此外，管理好電池也是電動(dòng)汽車使用時(shí)的一大筆支出。

全固態(tài)電池時(shí)代即將來(lái)臨

吉野彰認(rèn)為，鋰電池未來(lái)應(yīng)用于電動(dòng)汽車等勢(shì)必會(huì)有更多進(jìn)展，如果將鋰電池應(yīng)用于新用途、新領(lǐng)域時(shí)，必須進(jìn)行技術(shù)改良，但關(guān)于鋰電池還有很多未知事項(xiàng)。

古迪納夫正在進(jìn)行的全固態(tài)電池研究，便是對(duì)鋰電池未知事項(xiàng)的探尋。

全固態(tài)電池將原先的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)換成一種全新的固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠保證原有的儲(chǔ)電性能，還能防止枝晶問(wèn)題的產(chǎn)生，而且更安全，更廉價(jià)。目前困擾鋰電池的安全問(wèn)題都將因?yàn)槿虘B(tài)電池的出現(xiàn)而改善或解決。

在固態(tài)電解質(zhì)選擇上，葡萄牙物理學(xué)家布拉加為其提供了一種具有良好的鋰離子傳導(dǎo)能力的玻璃，古迪納夫立即將這種玻璃引入到全固態(tài)電池的研發(fā)中。

目前，全固態(tài)電池的研發(fā)已初露端倪，相關(guān)成果已經(jīng)在多個(gè)權(quán)威刊物上得以展現(xiàn)。鋰離子電池甚至是動(dòng)力電池的未來(lái)正在被這位97歲的科學(xué)家所改變著。

國(guó)內(nèi)方面，寧德時(shí)代在聚合物和硫化物基固態(tài)電池方向分別開展了相關(guān)的研發(fā)工作并取得了初步進(jìn)展；國(guó)軒高科已在日本研究院開展相應(yīng)固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)。而萬(wàn)向一二三和材料公司Ionic Materials對(duì)外宣布，共同開發(fā)出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液體電解質(zhì)的電池。此外，贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所合作共建的“固體電解質(zhì)材料工程中心”也已經(jīng)在全固態(tài)電池?zé)o鋰征集研究方面取得進(jìn)展。

國(guó)外方面，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)牽頭投資100億日元，豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。

而固態(tài)電池作為動(dòng)力電池未來(lái)的發(fā)展方向，盡管技術(shù)層面已經(jīng)取得一定程度的突破，但目前的生產(chǎn)制備成熟度還需要加強(qiáng)，規(guī)?；?、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā)，距離產(chǎn)業(yè)商業(yè)化還有一定的距離。

有業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，目前產(chǎn)業(yè)布局才剛剛開始，要想真正實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)預(yù)計(jì)在2020年以后，大規(guī)模應(yīng)用則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

(責(zé)編：肖蒙蒙)

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