在武安市銀隆新能源產業園，技術人員在給一批新能源純電動大巴做投放市場前的最后測試。 河北日報記者趙永輝攝

近日，2022新能源汽車大會在北京召開，多項代表前沿趨勢的新能源汽車領域創新成果悉數亮相。環保、節能、不限行……盡管新能源汽車具備如此多的優點，但我們也常常看到“高速上新能源車突然電量不足，無法堅持到下個服務區”“多車等待一個充電樁，排隊4小時充電1小時”的新聞。

“充電樁數量少”“充電時間長”“續航里程短”是新能源車主抱怨最多的三個點，也是長期制約新能源車發展的“三座大山”。如何翻越這“三座大山”？電池，成為科學研究和應用市場普遍關注的焦點。

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理想的鋰電池跑得遠、充電快、更安全

在科技高速發展的今日，鋰電池早已走進了千家萬戶，在電動汽車領域，也成為市場占比最高的首選能源。

2019年10月，約翰·古迪納夫等3位研究鋰離子電池的科學家榮獲諾貝爾化學獎時，頒獎詞這樣描述：他們創造了一個可充電的世界。

當你把手機放下，插上充電器，等待它“滿血復活”的時候，手機操作系統終可得到片刻寧靜與休憩。但在微微發熱的機身里，一場悄無聲息的“運動”正在展開。

“‘運動’的主體是鋰離子，‘家’住電池正極，它們就像一群調皮的孩子，從‘家’里‘溜’出來，一頭‘扎’進電解液，‘游’過隔膜中的小縫隙，順流而下來到負極。”河北科技大學材料學院教授王波說，負極是它們的目的地，闖關成功的它們結交了新朋友，積攢了大量的能量，這便完成了充電過程。到達負極的鋰離子越多，儲存的電量則越足。當拔下充電器的那一刻，鋰離子知道要回“家”了，它們與新朋友告別，原路返回，回到“家”時體力殆盡，這便是電池釋放電能的過程。

王波介紹，概括而言，鋰離子充當了電能的“搬運工”，周而復始地從正極至負極再至正極來回移動，在正、負極活性材料中進行脫嵌，將化學能和電能相互轉換，從而實現了能量的存儲與釋放。

理想中，能夠應用于新能源汽車的電池應具備這樣三個特點：第一，容量高，保證汽車跑得遠；第二，充電快，保證等待時間短；第三，穩定性強，保證上路更安全。

如此一來，科學家研究的目標就很明確——研發新一代“大容量”“高倍率”“長循環”的電池。

自1991年鋰離子電池商業化以來，作為鋰離子電池的核心組件，科學家們在鋰離子電池的電極材料方面展開了大量的研究工作。

據介紹，無論正極材料還是負極材料，理想的電極材料都應該具備良好的脫鋰嵌鋰可逆性，較高的質量比容量，平穩的氧化還原電位平臺，較高的電子電導率、離子電導率與鋰離子擴散系數和良好的穩定性等。

“正極材料與負極材料的區別在于鋰離子嵌入的電位高低，嵌入電位較高者為正極材料，嵌入電位低的為負極材料。”王波介紹，正極材料是鋰電池的核心材料，決定著電池的能量密度、電壓、使用壽命等多個核心性能，同時也是鋰電池材料中成本最高的部分，占鋰電池電芯總成本約為40%。

最早商業化的正極材料是鈷酸鋰，它同時也是歷史最久最成熟的鋰離子電池正極材料，至今都有著非常廣泛的應用。

然而鈷酸鋰不是萬能的。“鈷酸鋰體系雖然能量密度高、比容量大，循環壽命和安全性較為可觀，但是穩定性稍顯不足，且在高電壓工況條件下電池容量衰減較嚴重。”王波介紹。

隨后，科研人員又開發出了錳酸鋰體系。該體系由于鋰離子脫嵌前后結構的穩定性、循環性好，鋰離子循環后容量衰減緩慢、毒性低，從誕生之初就被認為是電動汽車電池最理想的正極材料，然而該體系的電子導電率較低，極大地影響了電池的整體性能，逐漸淡出了鋰離子電池正極材料的舞臺。

由兩種金屬構成的正極材料無法很好地滿足需求，科學家們又將目光投向了三元材料。

“三元材料鎳鈷錳酸鋰是通過鈷酸鋰的摻雜制備而成，它的安全性比鈷酸鋰更高。”王波說，三元材料在空氣中易氧化形成不穩定的表面，出現結構缺陷和鎳鋰混排，使材料內阻增加，電化學活性降低，產生晶間裂紋和微應變，形成額外的絕緣膜，增加材料阻抗，使材料性能下降。因此，目前來看，三元材料的成熟商業化仍然有較長的路要走。

讓負極材料更“鋰”想

鋰電池的負極材料，同樣是關鍵。

“負極材料，是用于電池能量的儲存和釋放，也是電池中重要的組成部分。”王波介紹，它對于電池的首次循環效率、循環壽命、倍率性能和安全性能有著直接影響。

第一代鋰離子電池負極材料直接采用金屬鋰，但在充放電過程中容易產生枝晶。金屬鋰在長時間充放電后，表面就會長出枝晶。“這就像光滑的平面突然長出千萬根刺，可想而知這朵‘帶刺的玫瑰’最終可能會戳穿電池，造成短路，甚至引發爆炸。”王波介紹。

第二代負極材料采用鋰鋁合金解決了金屬鋰產生枝晶的問題，但材料在循環過程中體積變化大，材料主體易粉化脫落，循環性不佳。

第三代負極材料是采用層狀石墨碳材料，該材料在鋰脫嵌過程中電位接近鋰本身的電位，層狀結構有利于鋰的嵌入脫出，大大提高了鋰離子電池的循環和安全性能。時至今日，大規模商業化的負極材料依然主要是石墨類碳材料和鈦酸鋰兩大類。

盡管石墨類碳材料和鈦酸鋰在商業化方面比較成熟，但是這兩類材料都有一個固有缺陷——理論比容量都較低，這使得當前鋰離子電池的能量密度還不能滿足動力電池的更高要求。

新型電池路在何方？“負極材料仍然是‘賦能’的關鍵。”王波說。

前不久，中科院深圳先進技術研究院研究員唐永炳團隊研發了一種新型鋁基復合負極材料，通過與商用鋰離子電池正極材料匹配，針對不同應用場景，成功開發出了新型錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等產品。

“我們開發的電池產品除了耐熱抗凍的特性以外，還具有高安全、長續航、快充和低成本的優勢。”該團隊表示。

在安全性能方面，常規鋰電池隨著不斷使用，內部會產生鋰枝晶，既影響充電能力，還可能刺穿隔膜，帶來電池短路等隱患。而團隊開發的新型鋁基負極在低溫和過充條件下，能有效緩解鋰枝晶的產生，提高了安全性。

在續航性能上，得益于鋁基負極材料高的理論容量，該電池能量密度較傳統鋰離子電池提升了13%—25%，能實現長續航。此外，由于鋁基復合負極優異的導電性能，產品還表現出不俗的快充性能，20分鐘即可充滿電，為半小時充電需求提供了解決方案。

在成本方面，基于鋁基復合負極的性能優勢，并結合開發的高性能電解液，低溫電池產品可以擺脫對昂貴的納米級正極材料的依賴，將成本降低10%—30%。

目前，該技術已完成了規模化量產。統計數據表明，該技術規模化量產的產品合格率達99.11%，過程各工序合格率均達99%以上。唐永炳團隊稱，這是我國首款寬溫域、低成本、長壽命的電芯產品，有望打破電池產業格局。

鋰電池會不斷迎來技術變革

隨著技術的進步，鋰離子電池電動汽車在里程、續航和安全性方面都有了較大的提高。“未來，鋰離子電池充放電性能不斷提高，其在電動工具領域的應用將更加廣泛。”王波說。

作為動力電池的核心原材料，“鋰”一直有“白色石油”的美譽，是發展儲能和新能源汽車不可或缺的元素，重要地位堪稱電氣時代的石油。

業內有分析認為，正如石油開啟了化石能源時代，鋰電池或許將引領新的能源革命。

那么，鋰電池真能取代石油嗎？王波認為，鋰電池之所以被拿來與石油做比較，歸根結底在于新能源汽車和傳統燃油車的對比。

當前，在全球碳中和浪潮下，新能源汽車行業迎來爆發式增長，部分傳統車企相繼停產燃油車。根據中汽協數據，今年上半年，新能源汽車銷量連續6個月實現同比增長，即使是在國內車市整體下滑的3月—5月，新能源汽車銷量依舊分別實現114.1%、44.6%和105.2%的大幅增長。

“環保等因素已經使新能源以及新能源汽車發展趨勢不可逆轉，主要國家和地區在諸多戰略新興領域的競爭勢必愈演愈烈。”在業內專家看來，未來鋰電池能夠在部分領域取代石油當前的地位。“雖然在化工、制藥以及各種輕重工業中，石油的大宗原料地位仍然無可替代，但在交通領域，鋰電池作為儲能手段，可以將其他綠色電能帶入其中。”

隨著越來越多國家加速發展新能源汽車，車企及制造商對鋰的需求量越來越高，鋰資源供應短缺也引發了銷售價格不斷飆升。自今年初至6月底，國產電池級碳酸鋰現貨均價從最初的27.8萬元/噸漲至46.9萬元/噸。

那么，隨著鋰電池需求的激增，若鋰電池供應無法自給自足，未來是否會出現“鋰電池危機”呢？

“鋰電池未來會不斷迎來技術變革。比如鈉離子電池、鉀離子電池等技術路線成熟后，可能會逐步減少電池對鋰元素的需求和用量，甚至取代鋰電池。而石油作為化石能源是無法變革的。因此，出現‘鋰電池危機’的可能性很小。”王波表示，當前，研究人員仍然在為研發更好的電池不斷探索，期望鋰電池未來能更好地為人類的美好生活助力。（河北日報記者王璐丹）

關鍵詞： 鋰離子電池 能量密度 安全性能 電動汽車