主頁（http://www.by236.com）：電池的昨天、今天與明天
今天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。
電池的野史
“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”里面儲藏著，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(jù)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(xiàn)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(zhàn)爭。星期四的英文“Thursday”正是源于索爾“Thor”之名，所以筆者建議充電樁企業(yè)可以在每周四弄個5折的“索爾充電日”。
雖說中世紀之后基督教入侵北歐并把北歐神話作品當異端邪說鏟除清光，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(chuàng)作于1872年，作者是瑞典藝術家馬騰·埃斯基爾·文奇(Marten Eskil Winge)，現(xiàn)藏于斯德哥爾摩國家博物館。
實際上，同時期的中國也有同類型的神話傳說，筆者三年前在“皆電GeekNEV”開刊詞《愿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范疇的內容，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(qū)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堿性水，便可以發(fā)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“上周”剛建好的“西周”古跡沒什么區(qū)別……
別扯了，入正史。
電池的昨天
人類歷史上第一個關于“電”的記錄，在公元前6世紀前后，古希臘哲學家泰勒斯發(fā)現(xiàn)摩擦后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(qū)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·范·穆森布羅克教授（Prof. Pieter van Musschenbroek）發(fā)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個世紀之后，萊頓大學依然拿著這個典故來招生……
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杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin），他從蒼天哪里取得了雷電，從暴君那里取得了民權。
光榮的富蘭克林院士并未完成18世紀的電學成就，意大利物理學家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）在這個世紀最后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。
隨著19世紀初發(fā)電機與電動機相繼發(fā)明，電學進入了一個全新的紀元。準確來說，19世紀是屬于電池的第一個光輝世紀。
1802年：Dr.WilliamCruikshank設計了第一個便于生產制造的電池。 1836年：英國化學家John FredericDaniell為提供穩(wěn)定的放電電流對電池做了改進，此時電壓終于提升到1V以上。 1859年：法國物理學家GastonPlanté發(fā)明了鉛酸二次電池，這是一款偉大的化學電源，足足12V電壓，可重復充電循環(huán)使用，一直玩到了21世紀，當前年銷量超過半個億。 1868年：GeorgeLeclanché開發(fā)出使用電解液的電池。 1881年：J.A.Thiebaut取得干電池專利.。 1888年：Dr.Gassner開發(fā)出第一個干電池，1896年美國開始量產干電池，如今中國年產干電池數(shù)量超過1000億個。 1890年：ThomasEdison發(fā)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(fā)明家WaldmarJungner發(fā)明了鎳鎘電池。
電池與車輛的結合，在19世紀中頁開始，20世紀前頁達到頂峰。從郭睿同事編撰的《電動車坎坷發(fā)展史》（上圖）上可知，1900年在美國上牌的汽車當中，電動汽車占比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(fā)展的電動汽車完全沒有了競爭力。隨著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(wǎng)絡建立而成。
由于電池儲能能力的孱弱，只有數(shù)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(wǎng)絡助力（如上圖文章），也無力回天。
電池的今天
20世紀的電池研發(fā)史，奠定了今天全球電池技術的大綱。
20世紀前半段，電燈終于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(yè)（包括汽車12V電源），可充電的鐵鎳電池與不可充電的堿性電池相繼量產，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(zhàn)，那時候沒有核反應堆，潛艇水下航行速度很慢、續(xù)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、為什么U型潛艇需要裝一門甲板炮？→ 缺電是常態(tài)，在水上航行是常態(tài)，這時候甲板炮最好用。 2、為什么U型潛艇如此怕驅逐艦？→ 電壓太低、電流太弱，只有幾節(jié)航速的水下潛艇就是深水炸彈的活靶子。
在中國抗戰(zhàn)時期，軍用電臺主要使用兩種電池：一次電池（干電池）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(fā)電機進行循環(huán)充電。
我方電臺
日方電池
隨著二戰(zhàn)后的第三次科技革命，人類對儲電系統(tǒng)的依賴越發(fā)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(xiàn)實的是“大哥大”。 東西南北中，發(fā)財?shù)綇V東。80年代末，一斤重的移動電話進入香港與廣州市場，2萬多一臺的價格，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(huán)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。 然而并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(shù)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 先生的話來說就是：鋰電池的發(fā)明并不是人類科技樹的必然結果，而是一項奇跡。 我們今天能用著刷著智能手機、聽著真無線耳機、吃著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(fā)，他指明了“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(fā)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，使用石墨為陽極并解決了“鋰枝晶”現(xiàn)象。 因為鈷酸鋰方案過于前沿，在當年堪稱癡人說夢（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，并在1991年將其投入市場。不接受反駁，因為當今遍布全球各產業(yè)的鋰離子電池運用就是從這里開始的，而在鋰離子電池之前，沒有任何一款電池可以同時做到： 可以說，古迪納夫博士的鋰離子電池技術塑造了現(xiàn)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(fā)出鋰離子電池原型，最終確立了現(xiàn)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年前就跟媽媽桑夸下海口說他會拿到諾貝爾獎的。 都說“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，日后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(fā)時間長達20年，德國戴姆勒-奔馳和大眾都有投資，豐田普銳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(shù)用的都是鎳氫電池，日本廠商喜歡稱之為“水素電池”。為什么鎳氫電池占領電動汽車市場？還是因為能量密度的問題。 鋰離子電池的能量密度足夠高，在安全性趨向于穩(wěn)定之后，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(jié)筆記本鋰離子電池驅動的，如此變態(tài)的封裝技術和電控技巧，膝蓋獻上。
 不過，鋰離子電池生產大國目前并不是美國。早在2004年，中國鋰電池行業(yè)就已崛起，待至2008年終于形成中/日/韓三分天下的行業(yè)大局，這個態(tài)勢一直維持到現(xiàn)在。正因為有了成熟的鋰離子電池技術與產業(yè)，電動汽車在21世紀重新迎來了新生。目前鋰離子電池行業(yè)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(yè)用得最多的方案，其中用于穩(wěn)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(shù)碼相機最愛，能量密度高（能量型電池），壽命短，熱穩(wěn)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(yī)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(yè)領域、醫(yī)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，運用于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。 跨越式發(fā)展暫時是沒有的，不針對中國，而是全球電池研發(fā)與生產均沒辦法進行質變式的突破，如果你看到有新聞說“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(huán)壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區(qū)間、安全、成本。 
6個維度的表現(xiàn)，就像是游戲里的“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(xiàn)都全優(yōu)，除非你愿意用200萬成本打造一臺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(yè)發(fā)展。根據(jù)J.D.Power發(fā)布的《2020中國新能源汽車體驗研究SM（NEVXI）》，中國電動汽車用戶的續(xù)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(xiàn)實很骨感。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，即使我們有再大的愿景和決心。電池的未來是怎樣的？實話實說，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(shù)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(wǎng)路。實際上，石墨烯并不能像那些媒體人說的那樣大大增加電池能量密度，它只是相當于內燃機的渦輪增壓器，在理論上可以提升充放電速率而已。 相比于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(tài)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(xù)航，當一下園區(qū)內的接駁巴士還成。發(fā)布無鈷電池概念（非磷酸鐵鋰）的“蜂巢能源”，前身是長城汽車動力電池事業(yè)部，自2012年起開展電芯研制，2018年2月獨立，總部在江蘇無錫。上一年7月，蜂巢能源發(fā)布了無鈷電池和四元電池的“概念”。為什么說是概念呢？因為至今還沒有更多消息露出。因為地球上探明的鈷多數(shù)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(jù)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(zhàn)略資源影響。 蜂巢能源稱這款產品研發(fā)過程進展順利，年底前將完成材料開發(fā)，2020年3月完成材料體系的進一步優(yōu)化，2020年8月體系定型，2021年11月將實現(xiàn)無鈷電芯的SOP。
鈷可以穩(wěn)定結構，鎳則提升容量，集中力量開發(fā)高鎳化動力電池已經成為行業(yè)共識，但是更高的能量密度也伴隨著更活潑的化學性能，安全性能是整個行業(yè)必須要正視的問題。在此背景上，蜂巢能源開發(fā)出四元正極材料，并基于該材料發(fā)布了全球首款四元材料電芯，其循環(huán)性能優(yōu)于目前市場上常見的NCM811材料，可以做到容量更高、壽命更長、安全性更好。 據(jù)悉，四元材料電芯項目于2018年9月立項，將在2019年底前完成材料開發(fā)，預計將于2020年12月實現(xiàn)材料SOP，將在2022年11月實現(xiàn)基于四元材料的電芯SOP。全固態(tài)電池就是電芯里面沒有流體（液體/氣體）的電池。因為內部全面采用固體結構，同樣容量下的全固態(tài)電池比目前里頭包著電池液的鋰離子電池要更加輕薄，這意味著全固態(tài)電池的能量密度遠高于一般鋰離子電池了。目前在一些實驗室中，研究人員已經試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池。一旦大批量生產，只要平均價格能下去，電動車的續(xù)航能力將有望突破1000km，這可是柴油車才有可能挑戰(zhàn)的大限。 再往更高處想一下，足夠輕、足夠大容量的全固態(tài)電池低價鋪貨之后，電動飛機是不是要成為現(xiàn)實了呢？更重要的是，全固態(tài)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(tài)電池有一個很大的問題，那就是很難實現(xiàn)快充。這是物理短板，基本無法突破的。古迪納夫博士研發(fā)了當今鋰離子電池領域的三大正極材料，目前業(yè)界的負極材料多用碳素材料（好消息是中國石墨儲量占全球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么好用嗎？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，石墨是鋰的嵌入和脫嵌，硅則是合金化反應，硅的脫嵌鋰反應會令其體積膨脹3倍，電池內部結構破壞之后，就沒后文了。此前特斯拉曾經放風要發(fā)布一款基于硅納米線負極打造的電池，業(yè)界先鋒企業(yè)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后不會破裂。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(huán)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。用人話來說就是：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(fā)一個新聞，斯坦福大學和湖南大學的幾位教授在《自然》上發(fā)表了一篇創(chuàng)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云的距離。5年過去了，沒后續(xù)，暫時別想了。電池的研發(fā)過程就是在元素周期表大海撈針的過程，全球研發(fā)人員對此的試驗次數(shù)以“億次”為基本單位。 此外，無極耳設計（剛剛發(fā)布，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） 
隨著電池的不斷進化，極度追求輕量化的無人機成為了現(xiàn)實，鋰電池潛艇成為了現(xiàn)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(fā)電技術商用化之后變得無足輕重，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。核電站不是說開就開、說停就停，功率也不能隨著實際用電負荷進行快速反應，因此除了陪火力發(fā)電機組進行調峰之外，還可以在核電站選址時就找到一個高于核電站的上水庫來儲能。 抽水儲能可以說是大容量電能儲藏的最古典打法了。多余的電能用于抽“下水庫”的水到“上水庫”，將電能變?yōu)橹亓菽軆Σ兀枰秒姇r倒流發(fā)電，這或許是地球上最大的“電池”了。比較典型的“車電互聯(lián)”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），用戶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(chuàng)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峰填谷，問題是目前動力電池的循環(huán)壽命太珍貴了，1000個充放電循環(huán)下來，多數(shù)鋰離子電池的性能都會大大削減（對于電動汽車體驗而言），電網(wǎng)/車企給予的V2G補貼又無法填平動力電池循環(huán)壽命的坑。除非電池循環(huán)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(fā)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(fā)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。用一句話來解讀：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(fā)電。 
“電”并不新，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(huán)保、安全方法，更值得大財團投入研發(fā)資金。我們不敢肯定未來社會一定是屬于“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(wǎng)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(huán)保”理念是真正的環(huán)保（反面例子是半噸電池上身還敢說自己“環(huán)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(fā)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(fā)電技術促成下，未來世界更需要儲電技術的支撐。真正環(huán)保的氫氣儲電，或許是我們的最終答案。● 汶川地震中的業(yè)余無線電應急通信與救援經驗總結
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(中國集群通信網(wǎng) | 責任編輯：陸濤) |
