哪种锂电池技术最靠谱？
来源：宝鄂实业
2019-07-04 20:00
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虽然电池技术在近几年确有进步，但其性能似乎距大众期望尚远：电动汽车所用动力电池容量确有上升，然其续航里程却不能令人满意；手机方面，三星只是适度的提升其电池能量密度，加之一些管理、设计上的问题，NOTE7便遭遇了“滑铁卢”。尽管在社会上，电池已经成为大家寄以厚望的热点，但我们必须理性地意识到：电池进步虽有很多种可能性，但选出一条可行的路并且把它走通（产业化以服务社会）却并不容易，因为选择和研发都需要投入很多的精力。因此就目前锂电池行业和广大社会期望而言：大众所期望的快速运转尽早实用的心态固然可以理解，但在产业实际中并不可取。因此谨慎选择和筛选锂电池技术十分重要！
众所周知，锂离子电池具有良好的综合性能，是消费电子、电动汽车甚至储能行业的主力军，近年来社会及专业人士对其期望值也很高。目前，市场上存在多种锂电池技术，这在某种程度上极大地吸引了投资人、各地政府的注意力。但值得注意之是：这些技术整体来说良莠不齐，不乏以下情况：有些包装很好，实际技术先进性却是大大的问号。
在此背景下，笔者特在此介绍一些筛选锂离子电池的基本常识，以便向广大普通群众进行科普与知识宣传。
一、什么是锂离子电池？其工作原理为何？
锂离子电池是一种二次电池（即可反复充放电的电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+（锂离子）在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，因为锂离子在正极和负极材料中储存时能量不同，而该能量差就是锂电池能存储/释放的电量：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于脱锂状态；放电时则相反。下图就是锂离子电池工作的典型示意图，其使用的反应体系为最经典的钴酸锂正极-石墨负极。
在该电池中，以充电过程为例正负极的具体反应如下：
LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-
6C+xLi+xe-=LixC6
因为材料本体的性质局限，在正极的反应过程中，钴酸锂一般情况下只能脱出0.5个锂离子，再多则会导致结构坍塌损坏，因此一般情况下钴酸锂的理论容量上限只有140mAh/g左右，而负极石墨的理论密度为360mAh/g。再加上钴酸锂的放电的平均电压为3.7V（实际上是从4.2的充满电最高电压逐渐下降到3V左右，3.7为平均值），同时，考虑到石墨负极很低的电位值，以及电池中各种其它元件的占比，最后可以得到我们用的锂电池（例：手机）的能量密度大约是160Wh/kg左右。
能量密度对于各种电池都是最为基础的核心参数，必须而且应该是公开透明数据。然目前常用锂离子电池中，由于取决材料、技术体系不同，能量密度可以从几十（比如钛酸锂）到200Wh/kg左右。一旦这个数值极高（或极低），就值得重点关注了：
一方面，在技术人员的努力下，做出了较高的能量密度，可能技术上有突破，值得庆祝；另一方面，不排除有部分人士商家存在性能夸大现象。如果能量密度数据不轻易标出，则消费者购买/投资人投资前就需谨慎思考（因为谨慎推测：不愿意标注的多半是因为该性能不佳）。
电池的基础是电化学科学，而对于这一领域，有一个朴素但是最为基本的原理：任何一种电池，其存储能量的机理均需写出一个相应的电化反应方程式，如此才能知道其电压情况，判断其理论极限能量密度等，而且这些对于电池而言都只是最基本信息。不论此电池技术有多新（或只是相关人士所说的新），其原理都必须能写成化学方程式，落实在纸面上，如此才可以经得起学界常识的检验。笔者近来有友被推销一种电池，然而推销人士却对最基本电池反应原理三缄其口，因为“怕泄密”，同时说出一些违反电化学基本常识的理论，因此购买与采用该技术前还是建议要做仔细调研，谨慎行事。
就电池而言，电化学反应机理是最基本信息，需要公开透明，而且这还仅仅是第一步。电池工程技术真正的壁垒在于对材料、整体结构以及工艺的优化。即使基础原理清楚，还需考虑实现难度，新技术工程化的艰辛是远超出很多人想像。近几十年来中国工业取得如此大成就得益于技术人员的辛勤积累，不懈坚持与严谨钻研。中国的电池工业能有目前的成就，同样离不开脚踏实地的实干精神和在工业工程化中的辛勤探索。
故而请允许笔者再次引申，此前对“石墨烯（基）（锂离子）电池”、“石墨烯增强（锂离子）电池”“石墨烯辅助（锂离子）电池”的质疑已有诸多分析（只限于锂电池，并没有涉及铅酸等其它技术）。
在此再次强调：石墨烯用于锂电池，只能做负极活性材料和导电添加剂。做负极材料其成本高，体积密度低，首次效率极低，使用中会产生结构变化（Re-stacking），成本颇高，基本无可能性；而当作导电添加剂，其与其它碳系材料兄弟竞争，并无明显优势，又面临工程中分散等一系列实际问题。实际上，现今市场中各种石墨烯电池技术，几乎很少有人愿意将自己电化学反应方程式明确公开地写出，从而让同行站在科学的角度去检验。其中缘由，值得思考。
相比之下，许多新一点——例如铝、镁等电池，在不谈论技术可靠性之外，其反应机理确实存在，因此至少还存在进一步讨论分析这种技术的空间。
二、起名很重要——就名字关注是否具有可靠性
起名很重要——拥有朗朗上口名字的技术，利于被记忆与传播。市场中存在诸多的“石墨烯电池”均按照此方式传播，主要优点其实也是便于记忆。相比之下三元锂电池、硅负极电池就显得较为稀松平常。加强传播性固然重要，但如若该名字喧宾夺主，掩盖或者扭曲自己真正核心和竞争力的技术，那就在一定程度上有名不副实的问题。实际上，锂电池命名在行业内一般都有通用规则的，在这里可作简单介绍：
1）以最主要的组元来命名，由于锂电池中正极材料往往是锂电池中能量密度最重要的决定环节，因此以其命名情况最多。比如磷酸铁锂电池、三元电池、钴酸锂电池等。随着近年来的技术发展，一些高性能的负极材料已经登场或正在登场，因此钛酸锂电池、包括以后的硅负极（电池）命名也是合理的。同理，此原则相较其它体系的电池也适用，比如镍氢、铅酸等，几乎是电池名就可以初步概括核心反应。在这里我们需要强调：加了一点石墨烯的锂离子电池不可以称之为石墨烯电池，加了一点石墨烯的锂空气电池也不能称作石墨烯电池。这就如同加了味精的鱼香肉丝还是只被视为鱼香肉丝一样。当然，如果加入石墨烯确实强化了性能，那么所强化的性能是需要举证效果的，如此才能令科研与工业界信服。
2）以反应机理/特点来命名，最为典型的是液流电池。液流电池是以液态存在的正负极物质，用隔膜分隔在不同腔体中，利用泵将其输送到隔膜界面处进行电化学发应，实现电能存储或释放的电池。就通俗视角来看，可以理解为液流电池就是几个化工用的罐子，通过泵将反应液体输送到界面处反应，实现电流存放。这样的电池能量密度很低，只有几十Wh/kg，仅适合于工业固定储能，几乎无法使用在汽车上。因为液流电池中钒体系相对成熟，有时也会称之为钒电池。此前一则新闻表示，“钒”电池使用在汽车上，市场规模万亿，续航里程N公里。就专业角度而言，该讯息存在虚假之嫌。当然，笔者没有否定钒液流电池之意：这类电池寿命长，因此在场地条件宽松的储能应用场景会有自己独特的优势。
