鉅大LARGE | 點擊量：203次 | 2023年12月07日
靠譜的鋰電池技術(shù)如何篩選
眾所周知，鋰離子電池具有良好的綜合性能，是消費電子、電動汽車甚至儲能行業(yè)的主力軍，近年來社會及專業(yè)人士對其期望值也很高。目前，市場上存在多種鋰離子電池技術(shù)，這在某種程度上極大地吸引了投資人、各地政府的注意力。但值得注意之是：這些技術(shù)整體來說良莠不齊，不乏以下情況：有些包裝很好，實際技術(shù)先進性卻是大大的問號。
一、什么是鋰離子電池？其工作原理為何？
鋰離子電池是一種二次電池（即可反復充放電的電池），它重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+（鋰離子）在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，因為鋰離子在正極和負極材料中儲存時能量不同，而該能量差就是鋰離子電池能存儲/釋放的電量：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)，正極處于脫鋰狀態(tài)；放電時則相反。下圖就是鋰離子電池工作的典型示意圖，其使用的反應(yīng)體系為最經(jīng)典的鈷酸鋰正極-石墨負極。
因為材料本體的性質(zhì)局限，在正極的反應(yīng)過程中，鈷酸鋰一般情況下只能脫出0.5個鋰離子，再多則會導致結(jié)構(gòu)坍塌損壞，因此一般情況下鈷酸鋰的理論容量上限只有140mAh/g左右，而負極石墨的理論密度為360mAh/g。再加上鈷酸鋰的放電的平均電壓為3.7V（實際上是從4.2V的充滿電最高電壓逐漸下降到3V左右，3.7V為平均值），同時，考慮到石墨負極很低的電位值，以及電池中各種其它元件的占比，最后可以得到我們用的鋰離子電池（例：手機）的能量密度大約是160Wh/kg左右。
能量密度關(guān)于各種電池都是最為基礎(chǔ)的核心參數(shù)，必須而且應(yīng)該是公開透明數(shù)據(jù)。然目前常用鋰離子電池中，由于取決材料、技術(shù)體系不同，能量密度可以從幾十（比如鈦酸鋰）到200Wh/kg左右。一旦這個數(shù)值極高（或極低），就值得重點關(guān)注了：一方面，在技術(shù)人員的努力下，做出了較高的能量密度，可能技術(shù)上有突破，值得慶祝；另一方面，不排除有部分人士商家存在性能夸大現(xiàn)象。假如能量密度數(shù)據(jù)不輕易標出，則消費者購買/投資人投資前就需謹慎思考（因為謹慎推測：不愿意標注的多半是因為該性能不佳）。電池的基礎(chǔ)是電化學科學，而關(guān)于這一領(lǐng)域，有一個樸素但是最為基本的原理：任何一種電池，其存儲能量的機理均需寫出一個相應(yīng)的電化反應(yīng)方程式，如此才能了解其電壓情況，判斷其理論極限能量密度等，而且這些關(guān)于電池而言都只是最基本信息。不論此電池技術(shù)有多新（或只是相關(guān)人士所說的新），其原理都必須能寫成化學方程式，落實在紙面上，如此才可以經(jīng)得起學界、工業(yè)界常識的檢驗。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
筆者近來有友被推銷一種電池，然而推銷人士卻對最基本電池反應(yīng)原理三緘其口，因為怕泄密，同時說出一些違反電化學基本常識的理論，因此購買與采用該技術(shù)前還是建議要做仔細調(diào)研，謹慎行事。因為就電池而言，電化學反應(yīng)機理是最基本信息，要公開透明，而且這還僅僅是第一步在具有科學理論基礎(chǔ)后，想要實用化，電池工程技術(shù)真正的壁壘在于對材料、整體結(jié)構(gòu)以及工藝的優(yōu)化。即使基礎(chǔ)原理清楚，還需考慮實現(xiàn)難度，畢竟新技術(shù)工程化的艱辛是遠超出很多人的想像的。近幾十年來我國工業(yè)取得如此大成就得益于技術(shù)人員的辛勤積累，不懈堅持與嚴謹鉆研。我國的電池工業(yè)能有目前的成就，同樣離不開腳踏實地的實干精神和在工業(yè)工程化中的辛勤探索。
故而請允許筆者再次引出之前的文章，其中對石墨烯（基）（鋰離子）電池、石墨烯增強（鋰離子）電池石墨烯輔助（鋰離子）電池的質(zhì)疑已有諸多分析（只限于鋰離子電池，并沒有涉及鉛酸等其它技術(shù)），見文：《希望還是噱頭？評石墨烯電池系列技術(shù)》。
在此再次強調(diào)：石墨烯用于鋰離子電池，只能做負極活性材料和導電添加劑。做負極材料其成本高，體積密度低，首次效率極低，使用中會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化（Re-stacking），成本頗高，基本無可能性；而當作導電添加劑，其與其它碳系材料兄弟競爭，并無明顯優(yōu)勢，又面對工程中分散等一系列實際問題。實際上，現(xiàn)今市場中各種石墨烯電池技術(shù)，幾乎很少有人愿意將自己電化學反應(yīng)方程式明確公開地寫出，從而讓同行站在科學的角度去檢驗。其中緣由，值得思考。
此外，近來科研界AdvancedMaterials發(fā)表了一篇長綜述（打臉）文，認真分析了為何近幾年石墨烯用于電池中進步貢獻不大。原地址為：CriticalInsightintotheRelentlessProgressionTowardGrapheneand
相比之下，許多新一點的技術(shù)例如鋁、鎂等電池，其反應(yīng)機理確實存在，因此至少還存在進一步討論分析這種技術(shù)的空間。
二、起名很重要就名字關(guān)注是否具有可靠性
起名很重要擁有朗朗上口名字的技術(shù)，利于被記憶與傳播。市場中存在諸多的石墨烯電池均按照此方式傳播，重要優(yōu)點其實是也是便于記憶。相比之下三元鋰離子電池、硅負極電池就顯得較為稀松平常。加強傳播性固然重要，但如若該名字喧賓奪主，掩蓋或者扭曲自己真正核心和競爭力的技術(shù)，那就在一定程度上有名不副實的問題。實際上，鋰離子電池命名在行業(yè)內(nèi)一般都有通用規(guī)則的，在這里可作簡單介紹：
1）以最重要的組元來命名，由于鋰離子電池中正極材料往往是鋰離子電池中能量密度最重要的決定環(huán)節(jié)，因此以其命名情況最多。比如磷酸鐵鋰離子電池、三元電池、鈷酸鋰離子電池等。隨著近年來的技術(shù)發(fā)展，一些高性能的負極材料已經(jīng)登場或正在登場，因此鈦酸鋰離子電池、包括以后的硅負極（電池）命名也是合理的。同理，此原則相較其它體系的電池也適用，比如鎳氫、鉛酸等，幾乎是電池名就可以初步概括核心反應(yīng)。在這里我們要強調(diào)：加了一點石墨烯的鋰離子電池不可以稱之為石墨烯電池，加了一點石墨烯的鋰空氣電池也不能稱作石墨烯電池。這就如同加了味精的魚香肉絲還是只被視為魚香肉絲相同。當然，假如加入石墨烯確實強化了性能，那么所強化的性能是要舉證效果的，如此才能令科研與工業(yè)界信服。
2）以反應(yīng)機理/特點來命名，最為典型的是液流電池。液流電池是以液態(tài)存在的正負極物質(zhì)，用隔膜分隔在不同腔體中，利用泵將其輸送到隔膜界面處進行電化學發(fā)應(yīng)，實現(xiàn)電能存儲或釋放的電池。就通俗視角來看，可以理解為液流電池就是幾個化工用的罐子，通過泵將反應(yīng)液體輸送到界面處反應(yīng)，實現(xiàn)電流存放。這樣的電池能量密度很低，只有幾十Wh/kg，僅適合于工業(yè)固定儲能，幾乎無法使用在汽車上。因為液流電池中釩體系相對成熟，有時也會稱之為釩電池。此前一則新聞表示，釩電池使用在汽車上，市場規(guī)模萬億，續(xù)航里程N公里。就專業(yè)角度而言，該訊息存在虛假之嫌。當然，筆者沒有否定釩液流電池之意：這類電池壽命長，因此在場地條件寬松的儲能應(yīng)用場景會有自己獨特的優(yōu)勢。
初步小結(jié)：電池或以重要組元命名，或以反應(yīng)機理和特點命名，簡言之，必須是以其最為核心的組成部分或是其最有代表性的特點來命名。一旦脫離了此類原則命名方式，背后就有可能暗藏玄機：也許存在借時下流行概念加工包裝之意，也許可能是對其技術(shù)實質(zhì)的一種掩蓋。因此筆者建議大眾，當見到一些專業(yè)而時尚的電池名字時，要慧眼如炬，從命名開始刨根問底。
三、報喜不報憂的宣傳手法，你應(yīng)該注意什么？
近來，諸多電池在其宣傳材料中夸大事實，例如充一次電工作兩天，能量密度1000Wh/kg，性能提高了50%，壽命X年等，普通人可能很容易輕易相信。但實踐檢驗之后很多人或許會發(fā)現(xiàn)，此類電池技術(shù)實際運用起來卻并沒有廣告語中說的那樣神奇。那么如何從根源上篩選電池？
簡單判據(jù)：許多公司宣傳自己，推崇報喜不報優(yōu)，即10個非常重要的核心性能只標注5個，孰不知另外的5個性能可能還不如行業(yè)平均值關(guān)于任何一款工程應(yīng)用的技術(shù)而言，產(chǎn)品的各方面性能都應(yīng)該達到基本的及格線，否則無法實際使用。因此假如做出的電池某個性能確實很好，公司一定會積極報道，但假如不主動標注，則很有可能該性能做的還不夠優(yōu)質(zhì)。
因此建議對電池在實用中的每一個可能涉及到的性能都要進行深究。假如技術(shù)供應(yīng)商對這些性能推諉不透露，則該方面的特性很有可能存在短板。筆者認為，尤其要關(guān)注一種電池重點宣傳的性能相對對立方面的性能，比如快充電池需知曉其能量密度，能量型電池需知曉其功率密度、壽命，尤其是體積相關(guān)的密度參數(shù)，如此或?qū)⒔档唾I到不符實產(chǎn)品概率，最差也能與其討價還價一番。
該規(guī)格表中信息很全，電池的容量、功率、內(nèi)阻，尺寸等信息都已給出。而一般而言，一款電池產(chǎn)品，一般都要介紹其質(zhì)量能量密度、體積能量密度、質(zhì)量功率密度、體積功率密度，壽命、電壓、成本（價格信息可能不會放在宣傳冊中）、適用環(huán)境、安全性。在這里要強調(diào)一下：1）體積能量密度非常重要，同樣質(zhì)量、能量的一塊電池，假如體積特別大，完全塞不進入實際的服役空間中去的話，也是無法使用的。而手機恰恰是因為體積空間小，因此采用的更多的是體積能量密度最高的鈷酸鋰離子電池。2）功率密度通俗來講，就是快充相關(guān)的特性，此處需強調(diào)，筆者認為電池本體性能是否足夠好，對快充的貢獻占比一半以上，相比之下電控等環(huán)節(jié)要稍微小一些。功率密度與快充的分析見前文：《光說幾分鐘充滿,其它性能都不說的快充技術(shù),都是耍流氓》，光說幾分鐘充滿,其它性能都不說的快充技術(shù),都是耍流氓
四、甄別兩種宣傳策略
其一：性能提升XX%。這個可以說有意義，但也可以說沒有意義，因為提升比較參照物的解釋權(quán)是在廠家手里廠家可以制作一個性能很差沒做好的樣品作對照樣品科研人員對此流程非常熟悉。因此關(guān)鍵不在于廠家的提升相對幅度，而在于其性能的絕對值例如XX強化磷酸鐵鋰離子電池能量密度提升35%可以實際求證，基礎(chǔ)/提升后的能量密度數(shù)值到底分別是多少？100Wh/kg？130Wh/kg？。
其二：續(xù)航多少公里、待機X天。這是科學上不太嚴謹?shù)谋磉_方式，建議大眾不要輕信此類數(shù)據(jù)，更多關(guān)注在以上所述電池本體的硬指標，原因如下：
?續(xù)航X公里，可以基于馱一車電池方法，通過堆砌大量電池來最大化續(xù)航，但是這與電動汽車實際服役中載人載貨情況截然不同，因此最多是僅供參考（并且新一版電動汽車規(guī)范里面已經(jīng)開始規(guī)定電池占整車重量比）。
?而待機X天與正常使用的耗電也不同：待機測試條件如何？是否要開開省電模式？要不要關(guān)閉WIFI功能？這些要素一般都不能提及。在民間做此類非嚴謹測試還可以，但如若上升至地方產(chǎn)業(yè)投資，涉及大量金額、人力的投入，用如此感性詞語為一個地區(qū)的發(fā)展做政策指引，繼而投入千萬上億的資金，實屬輕率。
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