今年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了鋰電池的發(fā)明者，正如諾貝爾委員會的頒獎詞：「鋰離子電池已經(jīng)徹底改變了我們的生活，從手機(jī)到筆記本電腦和電動汽車，鋰離子電池?zé)o處不在。」

 

雖然鋰電池為人類擺脫化石燃料的依賴作出了巨大貢獻(xiàn)，讓汽車產(chǎn)業(yè)邁向電動化，但隨著人們對鋰電池需求的增加，鋰電池技術(shù)的瓶頸也逐漸暴露。就連鋰電池的發(fā)明者之一的 John Goodenough 對鋰電池的未來也不樂觀。

我的工作還沒有完成。在鈷氧化物陰極發(fā)明 35 年后，電動能源汽車在價格上仍然不能與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車競爭。而太陽能和風(fēng)能發(fā)電的儲存成本太高，只能立即使用。我們的前景不容樂觀。

一位從事電池研發(fā)多年的技術(shù)人員 Tiger 曾告訴愛范兒，現(xiàn)階段電池的技術(shù)瓶頸主要在能量密度、循環(huán)壽命和溫度特性三個方面。

其中鋰電池的能量密度是制約交通行業(yè)進(jìn)一步電動化的最大瓶頸之一。鋰電池相比內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于能量效率更高，可以達(dá)到 60%-80％，而內(nèi)燃機(jī)的能量效率只有 20％-60％，但這并還不足以彌補(bǔ)鋰電池能量密度低的缺點(diǎn)。

 

▲ 電動車內(nèi)電池組的單節(jié)電池

目前工業(yè)生產(chǎn)的鋰電池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg，只有特斯拉等少數(shù)廠商能突破 300 Wh/Kg，然而汽油的能量密度卻能能達(dá)到 2000Wh / kg，幾乎是鋰電池的 10 倍，也就是說要達(dá)到燃油車 60 升的油箱同樣的能量，需要 400 多公斤的鋰電池。

 

▲圖片來自：japantimes

這也是全電動飛機(jī)一直遲遲無法實(shí)現(xiàn)的重要原因，因?yàn)殡姵匾加蔑w機(jī)更多的空間，像波音 737 這種大型飛機(jī)，所需的電池重量甚至要比機(jī)身更重，這顯然不現(xiàn)實(shí)。

如果要提高鋰電池的能量密度，代價之一就是減少循環(huán)壽命，一般手機(jī)的鋰電池的壽命約為 3 年，可充電/放電超過 500 次，但樣的壽命會拉低的電動車的性價比，需要改變電極材料來延長壽命。以特斯拉為例，其電池的循環(huán)壽命并不長，但因?yàn)閱未纬潆姷睦m(xù)航更長，拉長了電池的使用周期。

 

▲ 特斯拉的電池工廠. 圖片來自：The Verge

目前一些電動車開始使用壽命更長磷酸鐵鋰電池，據(jù)悉比亞迪透露明年將推出采用磷酸鐵鋰電池的電動車，壽命可以達(dá)到 8 年 120 萬公里，但這種電池的缺點(diǎn)是能量密度較低，低溫環(huán)境性能不佳，以及成本較高。

此外隨著鋰電池的廣泛應(yīng)用，碳酸鋰的產(chǎn)量很快可能就無法滿足日益膨脹的市場需求。根據(jù)市場調(diào)機(jī)構(gòu) Adroit Market Research 的預(yù)測，到 2025 年鋰的消耗量將翻兩番，全球鋰電池市場規(guī)模估計將超過 1000 億美元。

 

▲圖片來自： Adroit Market Research

有機(jī)構(gòu)通過測算，發(fā)現(xiàn)僅僅考慮電動車，2050 年就能消耗陸地上三分之一鋰，到 2080 年陸地上的鋰資源將被完全耗盡。雖然海洋上的鋰儲備高達(dá) 2300 億噸，但目前還沒有可大規(guī)模商用的提取技術(shù)。

鋰資源的短缺會造成鋰電池成本的上升，最終變成另外一種「石油」。曾有一種觀點(diǎn)認(rèn)為汽車行業(yè)從石油從轉(zhuǎn)向鋰電池，不過是從一種有限的資源換到了另一種有限的資源。

 

▲圖片來自：Sims Recycling Solutions

但鋰電池和石油不一樣的是，鋰可以被回收再利用，據(jù)稱最高可實(shí)現(xiàn) 95% 的回收利用率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)鋰金屬高效的回收，能有效緩解鋰資源短缺的問題，但目前鋰電池的回收率并不高，而且回收再利用的成本并不低，甚至比開采鋰礦還高。

而電動車比燃油汽車更加環(huán)保的傳統(tǒng)印象，其實(shí)也不太準(zhǔn)確。的確，在消費(fèi)者駕駛電動車的過程中的碳排放確實(shí)比燃油車要低得多，但這并不意味著電動車更加環(huán)保，電動車只是將污染前移到了生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

 

有研究表明，如果考慮電動車電池的生產(chǎn)，制造一輛電動車產(chǎn)生的碳排放比一輛燃油車多 15% 到 70%。而且這還沒計算開采鋰礦以及鋰電池回收不當(dāng)對環(huán)境造成的污染，比如在智利一些地區(qū)，65％ 的水用于鋰生產(chǎn)，很容易對水資源造成污染。

顯然，目前的鋰電池還存在很多短板，而且在過去 20 年可商用的電池技術(shù)也沒有取得太大突破，但激增的市場需求迫使人類要盡快找到更好的電池方案，《自然》雜志曾在 2018 年預(yù)測「 我們距離鋰電子電池革命僅剩下 10 年。」

事實(shí)上科學(xué)家一直沒有停止研發(fā)新的電池技術(shù)， IBM Research 旗下的電池實(shí)驗(yàn)室就正在開發(fā)從海水提取物質(zhì)來制作無鈷電動車電池的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能在 5 分鐘內(nèi)充電至 80%，且在成本和能量密度等方面都要優(yōu)于現(xiàn)在的鋰電池。

 

目前梅賽德斯奔馳、日本電池電解質(zhì)供應(yīng)商 Central Glass 等廠商已經(jīng)和 IBM 達(dá)成合作，來推動這項(xiàng)電池技術(shù)的商用，但究竟什么時候會推出市場還不得而知。

鋰電池的未來，也不一定被新材料取代，也還可能取得更大的突破。現(xiàn)年 97 歲的「鋰離子電池之父」John Goodenough 至今仍投入在全固態(tài)電池的研發(fā)中，希望讓鋰電池達(dá)到新的高度，目前已經(jīng)取得了一些研究成果。

無論如何，鋰電池的革命或許離我們不遠(yuǎn)了。