鋰電距離“真正”高能電池還有多遠(yuǎn)？

　　純電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化所面臨的第一大障礙就是“里程焦慮”，問(wèn)題實(shí)質(zhì)就是動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度問(wèn)題。

　　現(xiàn)有的鋰離子電池體系，其實(shí)只能算是“半個(gè)”高能電池，因?yàn)樗母弑饶芰恐饕墙⒃谪?fù)極極低的電極電勢(shì)基礎(chǔ)之上，而目前商業(yè)化的幾種過(guò)渡金屬氧化物正極材料不管是工作電壓還是比容量都并不明顯優(yōu)于水系二次電池的正極材料。

　　因此，要想使鋰電成為“真正”的高能電池僅有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。但是由于諸多客觀因素的制約，鋰離子電池能量密度的提升已經(jīng)接近瓶頸。

　　理論計(jì)算表明，現(xiàn)有的接近實(shí)用化的最高容量正負(fù)極材料體系（高鎳三元搭配硅碳負(fù)極）能量密度大約在300 Wh/Kg略高的水平。大型動(dòng)力電池由于諸多技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面跟3C小電池有很大不同，這些因素使得即便是相同正負(fù)極搭配體系，大型動(dòng)力電池的能量密度要比小型3C電池低不少。

　　也就是說(shuō)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，可以大規(guī)模商業(yè)化的高能鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)其能量密度幾乎不可能超過(guò)250Wh/Kg的水平，這個(gè)系統(tǒng)能量密度對(duì)于普通家庭級(jí)乘用車(chē)而言，在實(shí)際工況和負(fù)荷條件下也就是300 Km出頭的續(xù)航里程。

　　后鋰電時(shí)代（Beyond LIB）有兩個(gè)耀眼的“新星”，它們就是Li-S和Li-Air電池。其實(shí)它們都老掉牙的體系，只是近些年又被重新包裝熱了起來(lái)。如果我們仔細(xì)分析這兩個(gè)電化學(xué)體系就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的最核心問(wèn)題仍然是金屬鋰負(fù)極問(wèn)題。

　　Li-S電池必須解決金屬鋰負(fù)極問(wèn)題，否則 Li-S電池就基本上喪失了高能的優(yōu)勢(shì)。再加上Li-S電池獨(dú)有的“多硫離子穿梭效應(yīng)”，筆者并不認(rèn)為L(zhǎng)i-S電池在電動(dòng)汽車(chē)上會(huì)有實(shí)際應(yīng)用的可能性，未來(lái)Li-S電池在軍用和野外這樣一些小眾的特殊領(lǐng)域可能會(huì)有一定的應(yīng)用前景。

　　Li-Air電池的思路和出發(fā)點(diǎn)和Li-S電池并不一樣，它屬于空氣電池的范疇。但是在筆者個(gè)人看來(lái)，金屬-空氣電池特別是二次金屬-空氣電池，實(shí)際上是把二次電池和燃料電池兩者的缺點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，并且放大了缺點(diǎn)。二次Li-Air電池涉及到的技術(shù)難題比Li-S電池更多更復(fù)雜。      

　　筆者個(gè)人認(rèn)為，鋰電的下一個(gè)突破點(diǎn)可能在于全固態(tài)鋰離子電池，而非當(dāng)前炒作得很熱門(mén)的Li-S和Li-Air甚至石墨烯電池。由于采用金屬鋰做負(fù)極，全固態(tài)鋰離子電池的能量密度相比于當(dāng)前的液態(tài)鋰離子電池會(huì)有較大的提升（筆者估算其實(shí)際能量密度可以達(dá)到350 Wh/kg的水平）。良好的安全性則是全固態(tài)鋰離子電池的另外一大優(yōu)點(diǎn)。

　　但是，由于固體電解質(zhì)的離子傳輸特性以及固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料的界面電阻問(wèn)題，決定了倍率性能必然是其短板。另外，全固態(tài)電池的循環(huán)性和溫度性能仍然面臨很大挑戰(zhàn)。

　　筆者個(gè)人認(rèn)為，全固態(tài)鋰離子電池將來(lái)有可能在3C小型電子設(shè)備上獲得實(shí)際應(yīng)用，大型動(dòng)力電池或許并不是其適用領(lǐng)域。根據(jù)當(dāng)前國(guó)際上全固態(tài)鋰離子電池的研究和發(fā)展?fàn)顩r，筆者并不認(rèn)為在未來(lái)5-10年之內(nèi)全固態(tài)鋰離子電池有大規(guī)模商業(yè)化的可能性。

　　筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于上述鋰電安全性和能量密度問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解，需要具備相當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及資深的鋰電生產(chǎn)實(shí)踐，由于篇幅的限制筆者這里不再贅述。

　　對(duì)比鋰離子動(dòng)力電池和燃料電池，我們可以看到，鋰離子動(dòng)力電池能量密度進(jìn)一步提升的空間非常有限。如果從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個(gè)問(wèn)題并不難理解，二次電池的能量密度增加并不遵循摩爾定律。

　　能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對(duì)而言，PEMFC的能量密度問(wèn)題并不是很突出，即便是通過(guò)最簡(jiǎn)單的增加儲(chǔ)氫罐數(shù)量來(lái)保證續(xù)航里程，可操作性也相對(duì)比較容易。

　　我們也可以從另外一個(gè)角度進(jìn)行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(hù)（對(duì)鋰電而言則是絕對(duì)必須），而正是因?yàn)槎坞姵厥莻€(gè)密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個(gè)密閉的高能體系在本質(zhì)上跟炸彈有何區(qū)別？

　　從最基本的能量守恒定律就講不通！那么從這個(gè)角度就很容易理解，鋰離子電池（實(shí)際上也包含所有二次電池體系）的能量密度提升空間將是很有限的。而燃料電池則是一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)，電堆只是電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所而已，系統(tǒng)的能量密度主要取決于儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫量。

　　正因?yàn)槭莻€(gè)開(kāi)放體系，燃料電池在能量密度上提高的潛力更大，并且先天具有更好的安全性，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學(xué)電源的一個(gè)更高的發(fā)展層次。

　　從根本上來(lái)而言，包括鋰離子電池在內(nèi)的二次電池是一個(gè)電能存儲(chǔ)裝置，而燃料電池則是一個(gè)電能生產(chǎn)裝置，這個(gè)最本質(zhì)的差別就決定了兩者在應(yīng)用領(lǐng)域的不同定位。

　　燃料電池和二次電池諸多不同特點(diǎn)，就決定了二次電池適用于中小功率的儲(chǔ)能用途，而燃料電池則更適合較大功率的應(yīng)用。因此筆者個(gè)人認(rèn)為，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)上的定位是輔助動(dòng)力裝置，HEV和PHEV以及小型純電動(dòng)車(chē)是其主要應(yīng)用領(lǐng)域。

　　而PEMFC燃料電池從一開(kāi)始就是作為大型動(dòng)力源發(fā)展起來(lái)的，是名副其實(shí)的“動(dòng)力電池”。筆者這里要強(qiáng)調(diào)指出的是，PEMFC燃料電池和鋰離子電池兩者在應(yīng)用領(lǐng)域上并無(wú)重疊，它們?cè)陔妱?dòng)汽車(chē)上是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而不是誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。