科客點評：如今電子設備都依賴電源生存，而電池的發展一直較為緩慢，期待未來會有突破性發展。

　　本月初，美國斯坦福大學以戴宏杰教授為首的研究小組發表了關于鋁離子電池的論文，一石激起千層浪，專家媒體一致認為這是電池行業的重大突破。據悉，這種鋁離子電池能實現快速充放電，且循環次數高達7500次，遠遠超過普通鋰電池（一般為300次）。另外，這種鋁電池具有高效耐用、可超快充電、低可燃性、高安全性、低成本等特點。 

　　目前市場上的主流電池仍是鋰電池，甚至鎳氫電池亦未完全退出舞臺。鋁離子電池的出現，夸張一點講是顛覆式的，但比被“妖魔化”的石墨烯超級電池多了一層現實的質感。面對如此勁敵，鋰電池的未來會走向何方呢？我們且簡單解析一番。

　　一、鋰離子動力電池遭遇四大瓶頸 

　　清華大學深圳研究生院的賀艷兵教授在“OFweek2015中國鋰電技術產業研討會”上表示，目前鋰離子動力電池發展有四大瓶頸：能量密度低、快速充電性能差、低溫充放電性能差以及安全性差。

　　電池的能量密度是指電池的平均單位體積或質量所釋放出的電能。賀教授認為正負極材料的比容量低，導致鋰離子電池的能量密度較低。

　　四川興能新材料有限公司研究院副院長龔本利在“OFweek2015中國鋰電技術產業研討會”上表示鋰離子產業化非常精細，利用率很高，實際能量密度與理論能量密度的比值最高可達61%，實際能量密度在150-220Wh/kg，而在可以預見的未來，終極目標樂觀估值可達500-700 Wh/kg。

　　普通鋰離子電池的能量密度較低這點毋庸置疑，唯有加大科研力度才是解決的辦法。

　　快速充電性能差則表現在兩個方面：鋰離子在石墨電極內部擴散慢，在電極內部運輸慢；而低溫充放電性能差與鋰離子在電極內部的擴散路徑長和電解液的低溫活度小有關系；消費者最關心的安全性問題歸根結底是電極材料與液態電解液反應活性大的問題。

　　以上四大瓶頸是鋰電池科研工作者一直想破解的問題，下面我們從材料層面來說說。

　　單就電解質而言，目前鋰離子電池主要是用液態電解質，但液態電解質的缺點十分明顯：易燃、易滲漏、與碳負極材料具有很強的熱反應活性。我們平常聽聞的電池安全事故，電解質有無法推卸的干系。

　　除了電解質，鋰離子電池的主要組成成分還包括正極材料、負極材料和隔膜。

　　關于負極材料，目前應用最廣泛的當屬石墨材料。對于其他負極材料，賀教授表示，新型納米碳材料雖然具有比容量高，但是需要解決首次庫侖效率低和無充放電平臺的問題（從極化機理來說，很難解決）；新型Si，Sn復合負極材料已經得到廣泛的研究，但如果首次庫侖效率能夠進一步提高，將具有很大的發展前景；負極SEI膜形成將成為未來提高負極材料和電池性能的研究熱點。

　　對于萬能材料石墨烯，賀教授表示從功率型電池的角度來講，該材料目前還很難被應用在動力電池中。

　　二、那些值得期待的鋰電池品種

　　鋰電池領域其實不乏“明星級別”的存在，全固態鋰電池和鋰-空氣電池便是其中的佼佼者。

　　1、全固態鋰電池

　　“下一代鋰電池應是全固態鋰電池，”賀教授在“OFweek2015中國鋰電技術產業研討會”上引用中國工程院陳立泉院士的話說到，“如果現在還不布局全固態鋰電池，將會錯失發展時機。鋰硫、鋰空電池成為研究熱點，但其產業化難度較高。其實如果業內將全固態鋰電池問題攻克了，再去做鋰硫、鋰空電池，相關技術難題會迎刃而解。”

　　全固態鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的鋰電池。固態電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態電池的功率重量比較高，所以它是電動汽車很理想的電池。

　　除安全性較傳統鋰電池優越外，全固態鋰電池還有一個很大的優勢，就是充放電循環壽命很長，最長可達45000次，并保存95%的初始容量，這點可讓其它種類電池望塵莫及。

　　2、鋰-空氣電池

　　鋰－空氣電池的優勢在于其巨大的理論儲能能力，它是迄今為止，能量密度最大的儲能器件，和汽油相當。

　　按重量計算，它是如今廣泛使用的傳統鋰電池的10倍。一塊鋰空氣電池可使汽車輕松行駛350英里以上，不需消耗汽油，并且相比于傳統電池體積更小也更便宜，不過很難使得電池容量接近理論值。

　　眾所周知鋰－空氣電池兩個最大的問題是效率低以及不能多次充放電。當鋰離子和氧氣發生反應生成鋰氧化物時，鋰空氣電池產生電流。而鋰－空氣電池的充電過程則涉及到該反應的逆反應——鋰氧原子間的化學鍵斷裂，并且釋放氧氣。致命問題在于生成的鋰氧化物會覆蓋在電池電極上，從而隔絕了電極與催化劑的接觸，進而減緩反應進程。

　　如此說來，全固態鋰電池比鋰－空氣電池商用的時間可能要早得多。

　　賀教授認為針對存在的問題，鋰空電池未來的研究方向如下：

　　1）繼續研發更加穩定的電解液體系，減少因電解液分解導致的副產物積累；同時，電解液添加劑將成為穩定體系、提高性能的有效方法。

　　2）繼續深入理解鋰空氣電池的反應機理，這對于如何選擇電解液體系，正/負極材料都有很好的指導作用。

　　3）研究、改善鋰空氣電池正極材料，進一步降低過電壓平臺，提高充放電效率，這是鋰空氣電池推向市場化應用的一個重要因素。

    4）研究新的鋰空氣電池的負極材料，提高電池的安全穩定性。

　　三、鋰電池的安全性：BMS

　　對于鋰電池消費者來說，考慮的第一要素永遠是安全性，這意味著企業需要擁有性能優越的電源管理系統（Battery Management System，BMS）。

　　在電動汽車領域，我們以特斯拉為例談談BMS。

　　特斯拉將幾千節18650電池串聯起來組成了電動汽車的能量來源，如此做法確實獲得了驚人的動力來源，但是如何管理才能平衡安全性和可靠性的問題？特斯拉將服務器集群分級管理的體系，運用在18650電池串聯管理上。

　　BMS設計了三級電源管理系統：分別是370個電池組成一個電池磚，每兩個電池磚組成一個電池片，總共有7個電池片分布在互相隔離的不同區域，從而組成整個電池模組。每一級都有相應地保證監控電池運行狀態、調節溫度、防短路/防外力沖擊的措施。整個BMS系統在編程管理鋰離子電池的電子系統、使用特殊的防護材料、精巧和低成本的安全結構設計上，都有自己非常獨到和成功的地方。

　　依靠BMS系統，Tesla Model S在獲得幾千節18650電池的強大能量來源的同時，整車還獲得了較高的安全性和可靠性。

Tesla的安全設計讓電池組在受到嚴重撞擊破壞后給予車主5分鐘的時間離開車子，起火只會集中在車身前底部，不會整車起火燃燒。這也是迄今為止，特斯拉電動汽車起火案例雖有，卻不曾有人員傷亡的原因。

　　四、鋰電池的未來

　　目前，鋰離子電池在3C消費電子產品、電動交通工具、工業&電力儲能等下游產業有著十分廣闊的市場，TüV南德意志集團電池產品部技術經理朱靜博士在“OFweek2015中國鋰電技術產業研討會”上引用數據稱，2014年我國鋰離子電池市場規模達715億元，同比增長21.1%。

　　在新能源汽車領域，2014年我國新能源汽車動力鋰電池產業規模達100億元。隨著新能源汽車的持續發展，預計2024年，動力鋰電池產業規模將達1615億元，我國將迎來鋰電池的10年黃金發展時期，鋰電池全產業鏈都將獲得利好。

　　而鋁離子電池目前還在實驗室發酵階段，尚未得到實際應用。雖然國內外媒體對該電池一致持樂觀態度，但未來還遠，電池的世界還存在許多的可能性，比如鈉電池，比如鎂電池……

　　一言概之，筆者認為鋰電池在十年內很難被取代。無論怎樣，科技日新月異，我們寄望電池界能有顛覆性的事件發生，掀起續航持久戰！

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