從馬車(chē)到蒸汽機(jī)，到內(nèi)燃機(jī)再到電動(dòng)機(jī)，幾百年的歷史進(jìn)程中，世界驅(qū)動(dòng)力的升級(jí)，讓城市運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)奏更快更強(qiáng)了，而汽車(chē)可以說(shuō)是城市動(dòng)力的親歷者和見(jiàn)證者。

不過(guò)，正如曾經(jīng)每一次變革都會(huì)受到來(lái)自技術(shù)上的阻力相同，汽車(chē)在告別化石能源全力擁抱新能源技術(shù)，駛向未來(lái)駕駛的過(guò)程中，也面對(duì)著不小的挑戰(zhàn)。

GIF:reddit.com

其中，車(chē)載動(dòng)力鋰離子電池的表現(xiàn)達(dá)不到預(yù)期就是挑戰(zhàn)之一。好不容易排到新能源號(hào)牌，但日常電動(dòng)汽車(chē)只敢在充電樁方圓百公里左右活動(dòng)，上下班通勤路程都勉勉強(qiáng)強(qiáng)，更別提長(zhǎng)距離自駕出游了。而且電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間長(zhǎng)，一旦沒(méi)電，可能離真正上路還要半天時(shí)間。

車(chē)載動(dòng)力鋰離子電池屬于可充電電池。一般可充電電池重要由三部分組成，分別是含金屬元素（如鈉離子、鋰離子等）的正極，負(fù)極和電解液。充電時(shí)，金屬離子從正極中出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，到達(dá)負(fù)極，同時(shí)電子經(jīng)過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，放電時(shí)則相反。于是，隨著電池一次又一次地充放電，金屬離子也不斷地在兩極間往返。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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鈷酸鋰原理示意圖圖片：nature.com

假如說(shuō)可充電電池是個(gè)折返跑的跑道，帶電的離子是來(lái)回往返的“運(yùn)動(dòng)員”，那么正極材料就像是有著彈簧的助跑器，極大地決定著“運(yùn)動(dòng)員”們起跑的速度。假如助跑器彈性不佳，那么運(yùn)動(dòng)員的起步也會(huì)落下別人一個(gè)身位；但假如助跑器彈性過(guò)好，運(yùn)動(dòng)員可能出去就會(huì)摔倒了。

可充電電池的正極材料不僅決定著電池整體能量密度，同時(shí)也影響著電池的整體性能，因此在材料活性、成本和安全性等方面都面對(duì)著很高的要求。

為了突破可充電電池的儲(chǔ)能瓶頸，能源、化學(xué)大佬們也正如火如荼地對(duì)電池的正極材料進(jìn)行著探索和革新。不過(guò)，哪種才是真正的未來(lái)能源之王呢？

電池盤(pán)點(diǎn)

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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鈉離子電池

鈉資源的儲(chǔ)量豐富（大約是鋰的400倍），開(kāi)采成本十分低廉，所以可以滿(mǎn)足鈉離子電池（NIBs）的正極材料供給，并且能夠大規(guī)模應(yīng)用在各種可充電電池場(chǎng)景中。

用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的固定NIB基本特點(diǎn)圖片：參考資料[1]

此外，鈉離子電池的過(guò)渡金屬元素鐵、錳等，成本也低。而且拿鐵酸鈉（化學(xué)式NaFeO2）來(lái)說(shuō)，因?yàn)殁c離子（1.02A）和鐵離子（III）（0.645A）的半徑相差較大，因此鐵酸鈉不會(huì)像三元材料發(fā)生陽(yáng)離子混排，可以形成穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。此外，鈉離子電池還可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，所以非常適合用在大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備中。

鈉離子電池的成本來(lái)源和比例圖片：參考資料[1]

但是即使鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中展現(xiàn)出了規(guī)模優(yōu)勢(shì)，但是鈉離子電池在新能源汽車(chē)上卻并不太適用。這是因?yàn)椋?/p>

1.鈉離子的半徑較大（是鋰離子半徑的一倍）。不難想象，當(dāng)一個(gè)胖胖的鈉離子在電極中不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，很容易引起電極材料微觀結(jié)構(gòu)的破壞和崩塌，也就是“撐壞了”，從而造成電池容量出現(xiàn)迅速衰減，影響電池的使用壽命。長(zhǎng)期來(lái)看，反而可能不劃算。

2.鈉元素的相對(duì)原子質(zhì)量也較大（是鋰的3倍多），這意味著儲(chǔ)存同樣的一份能量，鈉離子電池要更大的質(zhì)量，這和新能源汽車(chē)“減重”的宗旨是背道而馳的。歸根結(jié)底，鈉離子電池的這些缺點(diǎn)只因?yàn)殁c是個(gè)“胖子”。

多離子電池

在離子狀態(tài)時(shí)，鈉元素的價(jià)態(tài)是+1，意味著它的每次移動(dòng)可以攜帶一個(gè)電荷，對(duì)應(yīng)于一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。所以，當(dāng)鈉的數(shù)量為n時(shí)，這個(gè)電池所能儲(chǔ)存電荷數(shù)量的上限就是1*n。

那么是不是意味著，假如把單個(gè)離子可攜帶的電荷數(shù)提高，這樣電池的能量密度也會(huì)變得更高？研究者們也是這樣想的。于是，鎂離子、鋁離子等使用高價(jià)態(tài)金屬元素作為正極材料的多離子電池應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的離子能夠存儲(chǔ)更高密度的電荷，所以多離子電池容易達(dá)到較高的能量密度。而且當(dāng)金屬鋁被用作電池正極時(shí)，由于金屬鋁具有更高的空氣穩(wěn)定性，電池的安全性問(wèn)題也得到了改善。

可充鋁電池的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)圖片：參考資料[2]

當(dāng)然，多離子電池也同樣會(huì)遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價(jià)態(tài)離子，雖然離子半徑?jīng)]那么大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，你在參加折返跑比賽時(shí)，人家都是輕裝上陣，但是你還穿著棉衣棉褲加羽絨服。遷移慢所造成的后果是電池的倍率性能不好，影響電池的充放電速度。

鋰空氣電池

在人類(lèi)能源開(kāi)發(fā)的歷程中，空氣一直有著重要的角色，空氣的動(dòng)能可以通過(guò)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能、電能和熱能；而在電池界，空氣，確切來(lái)說(shuō)是氧氣，也成為正極材料的一種選擇。放電時(shí)，負(fù)極材料金屬鋰向電解液供應(yīng)鋰離子，這些離子與氧氣反應(yīng)，生成過(guò)氧化鋰，同時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而出現(xiàn)電能。

鋰空氣電池有著很多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)氧氣成為正極材料，電池的一部分直接變成氣體了，可想而知有多輕。而且理論上來(lái)說(shuō)，它還有儲(chǔ)存更多能量的潛能。鋰空氣電池的理論能量密度很高，達(dá)到12000Wh/Kg，這一數(shù)值甚至和汽油（13000Wh/kg）有一拼。

基于FST-GPE聚合物電解質(zhì)與傳統(tǒng)液態(tài)電解液的鋰氧/空氣電池的工況比較圖。圖片：參考資料[3]

不過(guò)鋰空氣電池這個(gè)聽(tīng)上去就科幻無(wú)比的產(chǎn)品仍然有一定的路要走。在半敞開(kāi)的鋰空氣電池中，金屬鋰負(fù)極在充放電循環(huán)過(guò)程中難免與空氣中其他成分接觸，尤其是水極易與金屬鋰發(fā)生劇烈反應(yīng)。此外，鋰空氣電池中易揮發(fā)的有機(jī)液態(tài)電解液面對(duì)著過(guò)充、高溫等條件誘發(fā)的電池燃燒甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，加上電池工作室要一套附屬設(shè)施來(lái)進(jìn)行提取出空氣中的氧氣。這套附屬裝置無(wú)論從成本還是便攜度上都極大拉低了鋰空氣電池的競(jìng)爭(zhēng)力……這些都是制約鋰空氣電池實(shí)用化的瓶頸。[3]

鋰離子電池

鋰離子電池比上述幾種電池常見(jiàn)得多。

要了解，1970年代后期，就已經(jīng)有了一種“鋰離子電池”。當(dāng)時(shí)的鋰離子電池還在非常硬核地使用金屬鋰作為負(fù)極，因?yàn)橥瑯淤|(zhì)量下，鋰離子電池能比其他電池儲(chǔ)存更多的電能，因此很受市場(chǎng)青睞，比如“大哥大”使用的就是這種鋰離子電池。

但是金屬鋰太鬧騰了，它是元素周期表里最活潑的元素之一，極易燃燒，甚至與氮?dú)舛寄苊紒?lái)眼去一下發(fā)生反應(yīng)。這樣的特性極大拔高了鋰離子電池的技術(shù)要求：生產(chǎn)組裝過(guò)程中稍有不慎，泄進(jìn)了空氣，輕則電池報(bào)廢，重則起火燃燒。而在肉眼看不到的地方，還有一個(gè)更大的隱患——由于動(dòng)力學(xué)等因素，鋰金屬表面會(huì)形成一些小分支，叫做“枝晶”。隨著在電池的使用，這些枝晶會(huì)越長(zhǎng)越大，最終會(huì)刺破電池正負(fù)極之間的隔膜，造成短路，引起電池自燃。

鋰枝晶的微觀照片，：參考資料[4]

到了現(xiàn)在，鋰離子電池這種一次電池更多的是被用在水力風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)備設(shè)施上；而我們生活中通常更常見(jiàn)的以鋰這種化學(xué)元素作為材料的電池早就變成了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作為正極的二次電池。在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子的“折返跑”，所以它應(yīng)該被更準(zhǔn)確地叫做“鋰離子電池”。

拿鋰離子電池常見(jiàn)的正極材料之一，鈷酸鋰（化學(xué)式LiCoO2）來(lái)說(shuō)，在晶體學(xué)上它屬于一種層狀材料。其中層狀是指鈷和氧原子的結(jié)合更緊密，形成的正八面體的平板，鋰原子層就乖乖地卡在兩個(gè)“平板”之間，可以更老實(shí)地在鈷酸鋰晶體中快速移動(dòng)。[5]

鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)圖片：Wikipedia

而且，這種氧化物可以拔高電池的使用電壓，從而提升電池儲(chǔ)存的電量；更為重要的是，鈷酸鋰對(duì)空氣等不敏感，跟金屬鋰這個(gè)“多動(dòng)癥”相比，可以說(shuō)是非常乖巧了；枝晶問(wèn)題在鈷酸鋰中也得到了改善。因此，和前三種電池比較起來(lái)，在一定的使用時(shí)長(zhǎng)下，鈷酸鋰是一種綜合性能相對(duì)較高的電極材料，使用場(chǎng)景也更加豐富便捷，成為目前最常見(jiàn)的電池材料也不足為奇了。

不過(guò)，鈷酸鋰作為電池材料也存在自己的問(wèn)題。就像再豐富的礦山也有被掏空的一天，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)在充放電循環(huán)過(guò)程中容易崩塌，而且崩塌層之間無(wú)法再進(jìn)行鋰離子的存儲(chǔ)，造成電池整體的性能衰減，能量密度降低。假如再被放到單次能量需求較大的場(chǎng)景，就會(huì)比較吃力。再加上鈷酸鋰實(shí)在不便宜、其對(duì)高溫的敏感性也是一個(gè)要考慮的問(wèn)題，所以鈷酸鋰作為電池材料的技術(shù)優(yōu)化也仍然是進(jìn)行時(shí)。

電池好，自然跑得遠(yuǎn)

假如說(shuō)電池本身就是一輛小車(chē)，那么正極材料可以說(shuō)是這臺(tái)小車(chē)的強(qiáng)勁發(fā)動(dòng)機(jī)，為這量小車(chē)供應(yīng)穩(wěn)定的能量支持；電池材料技術(shù)的優(yōu)化是未來(lái)新能源車(chē)徹底擺脫“在充電樁方圓百里轉(zhuǎn)圈圈”的有效途徑。

我國(guó)目前已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)。中汽協(xié)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018－2020年新能源車(chē)總產(chǎn)量預(yù)計(jì)為104.3萬(wàn)輛、148.4萬(wàn)輛和203.4萬(wàn)輛，從2017年到2018年上市的新能源汽車(chē)的平均能量密度也從103.3Wh/kg提升到了142.4Wh/kg。

但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，拿當(dāng)前最重要的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，美國(guó)能源部智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（CESMII）曾經(jīng)為鋰離子電池規(guī)劃了一個(gè)路線(xiàn)圖，原定目標(biāo)是在2019年左右，它的能量密度可以達(dá)到350Wh/Kg[7]。但是根據(jù)工信部新能源汽車(chē)推薦目錄顯示，目前單體電池的能量密度最高也只是200Wh/Kg左右。電池材料技術(shù)的研發(fā)還任重道遠(yuǎn)。

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)潛力巨大圖片：Bloomberg

作為全球技術(shù)領(lǐng)先、產(chǎn)量領(lǐng)先的高能量密度正極材料供應(yīng)商，巴斯夫一直致力于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)量量密度更高，價(jià)格更具優(yōu)勢(shì)，性能更可靠的正極電池材料。通過(guò)采用多種方法來(lái)提升材料的特性：材料的化學(xué)組成、材料顆粒的大小與分布、孔隙度和表面特性的調(diào)節(jié)等，從而大幅提高了正極活性材料的性能。

同時(shí)，在巴斯夫使用小型測(cè)試電池對(duì)材料進(jìn)行研究和檢測(cè)的過(guò)程中，每天都生成超過(guò)7000萬(wàn)的數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)與超級(jí)計(jì)算機(jī)Quriosity能幫助預(yù)測(cè)并分析材料特性，加速整體研究過(guò)程。

超級(jí)計(jì)算機(jī)Quriosity丨巴斯夫BASF

在今天，巴斯夫研發(fā)的鎳鈷鋁正極活性材料（NCA）和鎳鈷錳正極活性材料（NCM）已經(jīng)被應(yīng)用在全球領(lǐng)先的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池中。他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度，更短的充電時(shí)間，更穩(wěn)定的性能，更優(yōu)化的性?xún)r(jià)比。

鋰鎳氧化物的電子掃描顯微像|巴斯夫BASF

在巴斯夫的下一階段發(fā)展目標(biāo)里，到2025年，一臺(tái)普通中型電動(dòng)汽車(chē)搭載的電池體積就將減半，實(shí)際續(xù)航里程也會(huì)提升到600公里，充電時(shí)間則縮短至15分鐘。也就是說(shuō)，我們只要等待15分鐘，就可以開(kāi)車(chē)輕松繞著內(nèi)環(huán)高架路10圈、甚至跨城。

這等待的15分鐘，我們可以做點(diǎn)什么?巴斯夫的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與全球創(chuàng)意平臺(tái)Filmaka合作，暢想世界各地的人們可以如何利用這15分鐘為自己的生活加油,給愛(ài)車(chē)充電的同時(shí)也給生活帶來(lái)更多能量。

當(dāng)然，電池材料技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)的不止有生活的小確幸，整個(gè)城市也會(huì)隨之改變。在未來(lái)，道路上將能看到更多的新能源汽車(chē)，無(wú)人駕駛也可能因?yàn)槟芰砍渥愣斓貙?shí)現(xiàn)功能的完善和部署，物聯(lián)網(wǎng)智能生態(tài)也能因澎湃的能量?jī)?chǔ)備而變得更加“生氣勃勃”；更重要的是，空氣質(zhì)量將會(huì)得到極大改善，整個(gè)城市將變得愈發(fā)宜居。

隨著城市的快速發(fā)展，交通、居住、建筑方面的挑戰(zhàn)都在迅速新增。得益于巴斯夫?qū)Σ牧?、?duì)汽車(chē)研發(fā)周期的深入了解，以及與電池生產(chǎn)商的密切合作，巴斯夫的化學(xué)創(chuàng)新為我們展示了如何在一次次能源變革的帶領(lǐng)下，將城市生活的挑戰(zhàn)一次又一次的轉(zhuǎn)變?yōu)槊篮梦磥?lái)，讓我們對(duì)現(xiàn)在的城市生活充滿(mǎn)信心和期待，同時(shí)未來(lái)生活在當(dāng)下其實(shí)也已經(jīng)開(kāi)始揭開(kāi)序幕了。