鋰正被應用在手機、平板電腦、筆記本電腦以及智能手表中，并且存在于我們的電子煙和電動汽車上。它身輕體軟，且屬于能量密集型物質，這使它成為便攜式電子產品的完美動力之源。但是，隨著消費技術變得越來越強大，鋰離子電池技術卻始終難以跟上步伐?，F(xiàn)在，就在全世界都對鋰上癮之際，科學家們正爭相重新發(fā)明為世界提供動力的電池。

巨大的發(fā)光屏幕、更快的處理速度、快速的數(shù)據(jù)連接以及輕薄的設計時尚，這些都意味著許多智能手機的電量很難支持使用一整天。有時候，手機用戶甚至要多次充電。在使用兩年后，很多設備的電池續(xù)航時間都會急劇縮短，不得不被扔進垃圾堆。鋰的巨大優(yōu)勢也是它最大的弱點。它是不穩(wěn)定的，可能會爆炸。鋰離子筆記本電腦電池的能量與手榴彈相差無幾。Ionic Materials創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官邁克·齊默爾曼(Mike Zimmerman)說：“口袋里有部智能手機就像口袋里揣著煤油一樣。”

齊默爾曼在他位于美國馬薩諸塞州沃本（Woburn）的公司研究實驗室，親眼目睹了這種燃燒效果。在一項實驗中，一臺機器通過電池組驅動釘子，電池組迅速膨脹，就像微波爐里的爆米花一樣，然后發(fā)出明亮的閃光。過去50年的電池研究始終在性能和安全性之間走鋼絲，即在不把鋰推向極端的情況下，盡可能多地擠出能量。

我們現(xiàn)在也在這樣做。據(jù)預測，到2022年，全球的電池市場規(guī)模將達到250億美元。但消費者認為，在一項又一項的調查中，電池續(xù)航時間是智能手機最受關注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網絡普及，問題只會越來越嚴重。而對于那些能夠解決問題的人來說，他們將會得到巨大的回報。

Ionic Materials公司只是數(shù)十家公司中的一員，它們正在進行從根本上重新思考電池問題的史詩競賽。不過，這場競賽被錯誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創(chuàng)公司所困擾。但在經過十年的緩慢發(fā)展之后，希望仍在。世界各地的初創(chuàng)企業(yè)、大學和資金雄厚的國家實驗室的科學家們，正在使用復雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智能手機電池的能量密度和續(xù)航時間，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設備，這些設備將在幾秒鐘內完成充電，并足夠持續(xù)全天使用。

電池通過分解化學物質來發(fā)電。自從1799年意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關鍵部件：兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質的物質隔開。當電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學反應。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設備供電。

陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復的充電循環(huán)保持形狀。這種結構可被比作公寓建筑，其中有用于反應性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導致建筑物倒塌。

1977年，年輕的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的埃克森公司(Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質回到陰極一側的空間。

惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當他試圖增加電壓（使更多離子進出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質能為鋰提供更堅固的牢籠。

古德諾夫指導兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設備也適用于大型設備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。

如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。

吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。

當時的進步主要來自工程和制造業(yè)的改進。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學反應被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。

在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機掉進了機械裝置里，不要試圖調整座位。

對鋰離子電池的每一次改進，都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器，并使用越來越復雜的工具。

克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預知的空氣中了。

盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復充電而溶解。索尼聲稱已經解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產品推向市場。

在曼徹斯特大學，材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質的組合。

令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”

但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。

因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。

在調查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。

當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質界面層，后者是一種保護物質，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”

隨著時間的推移，這是智能手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當于一部智能手機持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多（高達400%）。大多數(shù)硅陽極經過幾次充電循環(huán)后會發(fā)生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復合材料來解決膨脹問題。

伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個“公寓區(qū)”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地擠在一起。經過3萬次迭代（不同的柱子和房間組合），他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內部。”這就解決了膨脹問題，同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩(wěn)定。

伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉換成現(xiàn)有的設計。隨著亞洲的電池生產商爭相增加工廠產能，為電動汽車時代到來做準備，伯迪切夫斯基認為，任何與當前生產工藝不兼容的產品都可能被排除在外。他說：“如果現(xiàn)在還不存在可以替代鋰離子的技術，到上市的時候，它將迎來無數(shù)的用戶群。”

當電池充滿電并放電時，鋰離子在兩個電極之間舞動，有時它們很難返回。相反，尤其是當電池充電太快時，它們會在電極的外面聚集，逐漸形成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。最終，這些看起來像窗玻璃上結了霜的樹突，可以通過電解質一路延伸，穿透隔膜，并通過觸碰對面的電極產生短路。

隨著各層之間的距離越來越近，這種風險就會增加，出錯的可能性也會隨之增加。正如三星去年發(fā)現(xiàn)的那樣，出錯可能會造成損害，代價相當高昂。微小的制造缺陷曾導致Galaxy Note 7手機電池內部短路。在某些設備上，陽極和陰極最終彼此接觸，這起災難性的召回事件估計導致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道：“當這種情況發(fā)生時，電池會變得非常熱，液體電解質會發(fā)生熱逃逸，最終引發(fā)火災和爆炸。”

因為這種情況非常危險，實際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀70年代嘗試的那樣，可能會帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的“圣杯”，齊默爾曼可能發(fā)現(xiàn)了它。

他認為電解質實際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經逐漸不再使用浸在液體電解質中的物質，而是使用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，而且對阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認，他不是一個“電池控”。他主修的專業(yè)是材料科學，尤其是聚合物，他在貝爾實驗室和塔夫茨大學任教了14年，之后才開始創(chuàng)業(yè)。

據(jù)2017年以來新能源汽車的起火事故分析統(tǒng)計，充電場所是起火的高發(fā)地，占比達50%。在北京大學其魯教授看來，起火事故的原因中，動力電池自燃占比為31%，主要因為鋰電池材料選擇不當以及電池本身的質量問題。

此外，近年一些能量密度高、續(xù)航能力強的電池受到盲目追捧，也悄然埋下安全隱患。其魯表示，追求高能量密度固然沒錯，但必須對能量密度和安全性進行綜合考慮，因為隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈大幅上升趨勢。還有，汽車碰撞時，電池組發(fā)生變形，導致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內部短路，易燃電解質泄漏最終引發(fā)起火。

其魯稱，電動汽車的設計始終是問題的核心，因為在行車或充電過程中，電池要工作就要產生熱量，但截止目前看不到一個給鋰電池迅速散熱的好方案。

5月9日下午，在河南遂平召開的電池百人會企業(yè)家“問道”嵖岈山暨中關村新型電池技術創(chuàng)新聯(lián)盟第一屆理事會第八次會議上，其魯發(fā)表了題為《論加快凝聚打造與發(fā)展儲能鋰電池創(chuàng)新產業(yè)技術的必要性及其意義》的主題演講。

目前，電動汽車與混合動力電動車市場在緩慢穩(wěn)步發(fā)展，其魯表示，鋰電池技術與金屬資源問題是目前業(yè)內關注重點，隨著電動化趨勢在全球逐漸形成，動力電池礦物原料消耗增長，資源布局方面將引起高度重視。另外，在鋰電池產業(yè)化制造技術方面，應逐漸向固態(tài)鋰電池過渡。“目前全固體鋰電池產業(yè)化技術應重點關注：1）新型無機固體電解質的研發(fā)與應用；2）不使用電解液與隔膜；3）鋰金屬負極的研發(fā)與應用；4）鋰電池正極材料迅速多樣化。”其魯稱。

針對如何合成電化學性能良好的鋰電池材料，其魯認為，應選擇合適的化學合成方法，準確確定化學組成、利用先進的物理化學方法與技術改善材料的性能（表面與顆粒等物理性質）。同時，還需測試材料的電化學性能、建立合適的材料性能評價方法與體系，初步研究材料的鋰電池循環(huán)充放電穩(wěn)定性與安全性。

此外，會上其魯還分享了近期鋰電池在電力儲能方面的應用前景。“在國內，光伏與風電成本已經低于0.3元RMB/kWh，部分地區(qū)的夜間電力價格低于0.1RMB/kWh，大規(guī)模電力儲能勢在必行。為解決峰谷電力和限風與限光伏問題，國家電力在計劃投資數(shù)百億建立提水調峰電站。此外，還有幾項兆瓦級新型鋰電池儲能電站正在設計中，迫切需要性價比良好的大容量鋰電池及可行的設計方案。”其魯認為，離網式鋰電池儲能與發(fā)電前景被看好，性價比良好的鋰電池有望進入汽車的啟動電源市場。

（以上內容未經發(fā)言者本人審閱，僅供參考。）

【電池百人會“問道”活動】

5月9日，由中關村新型電池技術創(chuàng)新聯(lián)盟、電池百人會聯(lián)合河南惠強新能源材料科技股份有限公司主辦，華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司贊助支持的電池百人會企業(yè)家“問道”嵖岈山暨中關村新型電池技術創(chuàng)新聯(lián)盟第一屆理事會第八次會議順利召開，行業(yè)專家及企業(yè)家深度分享了在后補貼時代動力電池企業(yè)如何瞄準差異化市場高質量發(fā)展，共同探究3C消費類鋰電池市場，儲能和梯次利用的難點和解決的辦法，小型動力電池在智能家居、無人機、電動工具等行業(yè)的應用，新能源專用車（港口、機場、市政園林、物流等）的市場動態(tài)、分析和產業(yè)風向等。

電池百人會“問道”系列活動為企業(yè)家俱樂部活動，旨在為企業(yè)家們深入交流行業(yè)熱點話題，探討電池產業(yè)鏈最新技術研發(fā)方向和市場動態(tài)提供交流平臺和資源?；顒又饕问綖榛咏涣骰顒印⒂^+游覽、主題演講+開放式討論。參會嘉賓主要為中關村新型電池技術創(chuàng)新聯(lián)盟理事會成員單位企業(yè)家代表、電池百人會企業(yè)家俱樂部成員單位代表、電池網部分年度客戶代表、“問道”活動舉辦地政府領導及電池產業(yè)鏈行業(yè)企業(yè)/機構代表等。企業(yè)家們通過游覽觀光當?shù)仫L景和深入當?shù)匦履茉葱虏牧袭a業(yè)鏈企業(yè)參觀調研，問企業(yè)生存之道，問電池新能源行業(yè)持續(xù)發(fā)展之道。目前已在青島及遼源等地舉辦過“問道”嶗山、“問道”長白山、“問道”金沙灘等活動。

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。而動力鋰離子電池是指容量在3AH以上的鋰離子電池，目前則泛指能夠通過放電給設備、器械、模型、車輛等驅動的鋰離子電池。

動力鋰電池的產業(yè)鏈圖與鋰離子電池相同，上游原材料主要包括鎳鈷錳、鋰礦和石墨礦，由此構成正負極材料、電解液、電極基材、隔膜等；中游則是將正負極材料、電解液、電極基材、隔膜組裝成電芯后進行制造和封裝；下游是動力鋰電池的應用領域，主要應用在各種車輛、船舶、飛機等內燃機的啟動，照明、蓄能、不間斷電源、移動通訊、便攜式電動工具、電動玩具中。