锂离子电池被大规模商业应用的历史详解

无论是最新款的华为 P30，还是我的诺基亚 3310，它们在完全没电后，都会变成同样的一块砖头。

每天给手机充电已经是一种生活习惯，这个惯性动作的背后，其实是电池技术并未跟上智能硬件产品发展速度的一种表现。

事实上，锂离子电池被大规模商业应用的历史并不长。如今我们距离锂离子电池在硬件产品上的第一次爆炸事件，才仅仅过去了 30 年，而造成那次悲剧的「锂枝晶」现在依然是电池研发人员的噩梦。

慢充保寿命，快充省时间的锂电池

从口袋里的手机，到桌面上的电脑，再到路上跑的电动汽车，锂离子电池都是现在绝大部分智能电子设备的动力之源。

锂离子电池是电子设备中最常用的电池，这要得益于「锂」的金属特性，密度低到 0.534g / 立方厘米，原子质量小到 6.9u，因此它是一种质量很轻并且极易与外界发生反应的金属。

锂电池的工作原理是这样的：

充电的过程就是锂离子从正电极中移动到负电极，放电的过程就是锂离子重新跑回到正电极。锂离子可以看做载着电荷的小车，在化学反应的过程中形成电流供电。

电池快充就是让锂离子移动的速度加快。为了实现这个效果，不仅需要适当改变充电电压，还需要对锂离子移动的路径，也就是电解质进行改良。

电池的一个重要的指标就是「能量密度」，可以理解为：每公斤的物质最多能够携带的能量。

另外一个常见的指标是电池容量，这个数值一般会标注在电池或者电子设备上。当一个电池的放电电量达到了电池容量的 100%，就是完成了一个充电周期。经过一定数量的充放电周期后，任何类型的电池容量都会变少。

电池寿命缩短的过程与「锂枝晶」有关。我们把锂离子看做小车，但是这些车队在充放电的往返过程中并不会规规矩矩、整整齐齐。

它们会在出门的时候把车库撞坏（引起结构变化），也会在返回车库的时候几辆车一起把车库的门堵住，引起塞车，当这条车龙到达一定的长度，就会让电池发生短路和爆炸。这条车龙就是「锂枝晶」，如今的车龙依然存在，只是因为技术进步得到了缓解。

锂电池商用的历史，索尼是一个里程碑

在消费电子产品开始起飞的年代，厂商急需一种轻便、大容量，又能循环充放的电池。这种迫切让电池制造商和产品厂商忽视了「锂枝晶」的危害。

以电动车为例，电池面临的三个问题

我们距离锂电池正式大规模商用才不到 30 年，目前最流行的锂电池属于锂离子电池。有统计显示，锂离子电池的性能和价格演进速度正在放慢，这个趋势很有可能会在未来影响电动汽车的大规模生产。

一位从事电池研发多年的技术人员 Tiger 告诉爱范儿，现阶段电池的技术瓶颈主要在能量密度、循环寿命和温度特性三个方面。

换个角度，电动车里电池面临的问题主要有三个，分别是：

• 里程焦虑
• 安全问题
• 成本问题。

首先，「里程焦虑」与锂离子电池的能量密度有关。锂这种金属的理论极限能量密度是 14000Wh/kg，由于锂电池一般都会掺杂其他物质，再加上正负极材料的影响，因此目前工业生产的锂电池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg。

由于需要考虑电池材料在使用过程中的稳定性，因此突破 300Wh/Kg 的电池制造技术只有少数厂商可以做到，比如特斯拉就在其中。

最近 20 年来商用电池的研发基本都没有太大的突破，在化学电池这个领域里，如果人们找不到能够替换「锂」的新材料，基本上电池能量密度也没有突破的指望。

也就是说，包括手机、无人机、电动车在内使用锂电池为主的智能产品，在相当长的一段时间内，电池的单次续航依然会明显受到限制，只能通过增加充电次数、加快充电效率等方式来解决。

其次是安全问题。

电池依然是一个易燃易爆的脆弱事物，坐飞机时电池不能托运只能随身携带就是其中一个表现。

汽油车起火时，人们往往还有逃生时间，但若换成是电动车电池起火，基本是瞬间被火海淹没，车内人员生还的可能性比汽油车低得多。

另外，高温状态下，电池内部的化学物质容易分解，导致起火。电池发生碰撞也有可能短路起火。

第三个是锂离子电池的成本问题。

为了让锂离子电池在使用时更加稳定安全，电池内部会添加各种化学物质，可以做到改善电池的温度特性、增加电池倍率等。这些物质包括钴、镍和其他稀有金属。

这些稀有金属在地球上的储量很有限，开采的难度也比较高，随着电动汽车电池的需求量日益增长，稀有金属原材料的价格也水涨船高。

《自然》杂志曾统计，预计到 2025 年，全球每年生产 1000-2000 万辆电动车，按照每个电动车电池需要 10 公斤的钴，那么届时的电动车行业每年需要 10-20 万吨的钴。然而这个需求量已经是目前世界钴产量的大部分。

锂离子电池的短板太多，电池技术在最近二十多年来基本是在缓慢前行。《自然》杂志的预测是：

我们距离锂电子电池革命仅剩下 10 年。

电池研发相当耗时，能用的新技术都在用

电池研发是一件相当耗费时间的事情。比如研发人员电池的某个部分进行改进，那么就需要进行大量的充放电实验来验证效果。

每一次充放电都是需要耗费时间和资源的。为了让电池研发人员可以更好地对电池剩余充放电次数进行预测，斯坦福大学、麻省理工学院与丰田研究所共同创建了一种人工智能，可以用来预测电池的性能和寿命。

这个算法通过学习上亿次电池充放电的数据，因此能够在收集单个电池五次充放电周期的数据后，预测电池的剩余寿命，正确率为 95%。这项人工智能技术预计能帮厂商在研发电池时提速。要这样换电池的手机慢慢变少了

锂离子电池是近代最伟大的发明之一，它改变了很多电子产品获取电能持续工作的模式，让它们具有可移动、可携带的特点，进而影响了我们日常使用消费电子产品的方式。随着电池技术的提升，手机上的电池已经逐渐不用拆换，出门带上一块充电宝就变成一件理所当然的事。

就目前而言，锂离子电池虽有诸多不足，但它依然是消费电子产品最好甚至是唯一的选择。正极的活性材料主要有两类，一类是镍钴锰锂化合物（NCM），另外一类是磷酸铁锂（LFP）；负极多是石墨（95%），加上一些添加剂。放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入，形成放电或者充电电流。通常新能源汽车车载锂电池多是由电芯、模组、电池包构成；电芯是电池包的最小单元，模组则由多个电芯连接而成，电池包又由多个模组组成，另外加上电池管理控制模块、连接端子等。如果把车载锂电池包作为一个子系统，那么电芯成本占的比例约为85%左右，所以，对电芯成本做一个精准计算、找出主要的成本驱动点，然后进行技术优化，是优化电池包成本、做好新能源汽车整车成本企划的重要路径。

在过去，有很多电子产品都是靠碱性干电池、纽扣电池供电续命，当时的用户可能没有想象过，装着高性能锂离子电池的产品会是怎样的。

如今我们所使用的电子产品，也被电池技术的缓慢发展束缚，你可能没有想象过一部 iPhone 充一次电可以正常使用一周的场景。我想这样的手机会被卖疯吧。