2019年10月11日 | 被诺贝尔化学奖青睐的锂离子电池会走向何方？

周三，John B. Goodenough（得克萨斯大学）、M. Stanley Whittingham（纽约州立大学宾汉顿分校）和吉野彰（旭化成研究员、名城大学教授）因为对锂离子电池开发的贡献而获得了2019年的诺贝尔化学奖。对于三位的获奖原因，诺贝尔委员会表示：“锂离子电池彻底改变了我们的生活，并广泛应用于从手机到笔记本电脑和电动汽车的所有领域。通过他们的工作，为无线、无化石燃料的社会奠定了基础。”

三位的名字其实都不陌生，尤其是身为美国国家工程学院院士、美国国家科学院院士、法国科学院院士和西班牙皇家学会院士的John B. Goodenough老先生，因为其在锂电池领域的卓越贡献，不仅将包括美国国家科学奖章在内的大奖拿到手软，也成为获奖时最高龄（97岁）的诺贝尔奖得主。

蹭着诺奖的热度，基础学科知识就不赘述，毕竟知乎高赞答案已经一票。就用几分钟的时间跟我们一起浏览一下从1970年代的石油危机开始起步发展至今，大有将燃油取而代之之势的汽车锂电池的前沿成果：

电池寿命

无论是手机、笔记本电脑还是电瓶车，都让我们对锂电池的寿命有了深刻的理解，尤其“锂电池的寿命大约为【500次充放电】，一旦超出便会寿终正寝”的说法相信不少人都有所耳闻。于是不少电动车的观望者也曾十分担心汽车电池会不会在使用五年之后就会迅速老化，损耗达到50%甚至更高。然而两个月前，网友发帖：他2012年拿到的Model S，经过72,000英里后，依然还能达到98%的充电量。

在2012年便收到Model S的资深铁粉站出来现身说法的这个数字，使人十分好奇特斯拉电池系统的真正实力。不过特斯拉恐怕不会仅仅满足于个案的成绩，毕竟在去年4月22日的Tesla Autonomy Day上，Elon Musk就向粉丝们喊话说很快将会奉上寿命能够达到累计行驶100万英里的超长寿电池。

虽然在当时的大会上，Musk没有对超长寿电池有具体的技术说明，但今年9月6日发表在美国电化学学会【ECS】期刊的一篇论文《高性能锂离子电池化学性能的广泛测试结果可作为新电池技术基准》对此豪言壮语给出了科学的解释：

由世界上最重要的锂离子研究者之一同时也是特斯拉最亲密的老朋友的物理学家杰夫·达恩（Jeff Dahn）及其所领导的Dalhousie研究小组的科学家们使用锂镍锰钴氧化物（NMC）作为锂离子电池的正极（阴极），并使用人造石墨作为负极（阳极），而在电极端子之间传送锂离子的电解质由与其他化合物混合的锂盐组成。

用NMC /石墨化学物质会增加锂离子电池的能量密度和寿命，包括电解液和添加剂混合，这些几乎是全行业的共识，包括日产Leaf和雪佛兰Bolt都在其电池中使用了NMC化学成分。但就是在这些常识之中，Dahn的团队通过大量优化那些熟悉的成分并调整电池正极的纳米结构，让锂电池的性能实现了巨大的提升，使电池可以充电和耗尽4,000次以上，达到甚至超过Elon Musk所说的百万英里的行驶里程，并且只损耗其总能量的10％。

不出意料的是，在论文发表的几天后，特斯拉和Dahn便宣布获得了一项单晶锂离子电池的专利，新专利电池几乎与论文中描述的电池相同，包括一种称为ODTO的电解质添加剂。根据专利文件描述：“（新电池 ）可以提高锂离子电池的性能和寿命，同时降低成本”。我们能做的，就是坐等Elon Musk宣布能够累计百万英里的超长寿电池实现量产并装载新车了。

续航里程

仿佛就在不久之前，我们还为纯电动汽车的续航里程感到焦虑，然而随着电池及相关技术的发展，“续航焦虑”大概很快便会成为一个过气词汇了：

在8月12日的《X头条》中，我们记录了特斯拉的电池研究合作伙伴Jeff Dahn团队官宣（对，还是Jeff Dahn）的《无阳极锂金属袋电池和双盐LiDFOB / LiBF 4液体电解质》，一种全液态电解质的高密度锂电池。

而除了特斯拉，德国Innolith AG公司也在今年4月宣布研发出一款能够提供600英里以上续航里程的高密度锂电池。除了密度高以外，其由于缺乏常规电池中经常使用的“奇特而昂贵的材料”，生产成本会更低，并且因为采用不可燃的无机电解质，进一步减少了电池着火的风险。

而同样在4月8日的《X头条》中，我们记录了瑞士初创公司Innolith也宣布自家研发的新型无机液体电解质锂电池密度达到了1,000 Wh / kg，做个对比：特斯拉Model 3中现在使用的电池密度（也就是2170电池）为250 Wh / kg，按照Elon Musk的计划将很快提高到330 Wh / kg。

诚然，对续航里程的影响除了电池密度以外，还有包括车型是否基于全电动化设计，比如全电动设计的保时捷Taycan与梅赛德斯·奔驰基于GLC平台生产的EQC之间的区别，还包括电池系统的效率管理等技术因素。但特斯拉和Jeff Dahn还是必须抓紧，毕竟无论是德国还是瑞士的高密度电池如果首先实现量产，碾压式的超越会使其现有的电池优势一去不复返。

电池安全

虽然各种科普小贴士都在絮叨：

不要超长时间不间断行驶

不要让电池过热

不要刺穿电池

使用原厂充电器、电线或其它零配件

不要自行更换电池

不要让电池耗尽至0

充电充到80%即可，不要次次充满到100%

但解决问题的正确方式从来都不是给用户列出“几不准”的须知，而是用技术从源头发力。品牌制造商和系统供应商们都已着手对电池安全进行改进，比如上文所说电池研发者已经将电池中的电解质改为不可燃的无机材质。

比如博世（Bosch）开发了一种全新的电池安全系统CG912，运用和安全气囊类似的可控的爆炸原理：当传感器检测到碰撞时，高温保险丝（技术上称为烟火安全开关系统）将使用其微型爆炸装药以物理方式炸裂高压电池单元和车辆其余部分之间的布线部分，切断电线，从而切断电流，使乘员或急救人员可以安全地接触汽车的金属，不会因意外损坏而造成短暂的电击危险。

锂电池的未来

行文至此，相信你也发现了锂电池的研发其实和外婆们制作的果酱有着异曲同工之妙，虽然主要材料都差不多，但由于配方比例的不同，工序的不同以及一些微量的神秘配方，便诞生了完全不同的成果。

借着9月4日全球锂电池研发的权威机构——英国法拉第学会宣布的将以5500万英磅投资的几个项目，让我们管中窥豹看看锂电池发展的未来方向：

电极制造

由牛津大学牵头其它五所大学（伯明翰大学、伦敦大学学院、谢菲尔德大学、南安普敦大学和华威大学）共同研发全新的锂离子电池电极的制造方式，通过试验全新的材料及铸造方式，研发新一代智能、高性能的电极，制造具有更长续航里程、更耐用的电动汽车电池。

新一代锂离子正极材料

法拉弟研究学会将资助两个项目联合体对该领域的研发与突破，毕竟锂离子电池最大的性能提升就有可能来自于电池阴极化学成分的变化：

由谢菲尔德大学Serena Corr教授牵头，和剑桥大学、伦敦大学学院、兰开斯特大学、牛津大学和科学技术设施理事会共同推进的锂离子电池阴极化学设计和开发项目（包括量身定制的保护膜和设计人员界面），可以提供可容纳更多电荷的阴极，这些阴极更适合于承受长时间循环并促进离子迁移（可有效增加电池耐久性以及续航里程和加速能力），同时减少电池制造商对钴的依赖。

由巴斯大学Saiful Islam教授牵头，与包括伯明翰大学、剑桥大学、利物浦大学、牛津大学、伦敦大学学院和钻石光源在内的六所大学和12个行业合作伙伴共同发起的项目，则着重强调了解新型阴极中起作用的基本机理知识的运用，为发现具有增强性能的新型阴极材料提供更具体的帮助，将扩大最有前途的新材料的合成，并将它们同化为可完全集成的电池系统。

除此之外，法拉弟研究所另外的两个投资对象也值得记录，因为锂离子电池不可或缺的对锂与钴矿的开采，已经产生了全球性的困扰，这点我们早在去年3月的《当电动汽车风云乍起时，到底改变了什么？》中做过了阐述。所以，当锂离电池的发明者们得到学术界的最高荣誉诺奖的同时，我们也该把目光放到更远的地方，类似氢燃料电池或者其它的替代方案上：

新一代钠离子电池

该项目由圣安德鲁斯大学领导，将包括其他五个英国合作伙伴实验室，三个工业合作伙伴，以及与Diamond Light Source和五个领先的海外研究机构的合作。采用基本化学方法结合多学科的方法，加快钠离子电池技术的发展。由于其目标是将高性能，低成本和长寿命的安全钠离子电池推向商业化的道路，所以在设计之初便考虑了规模化及可操作性。

钠离子电池相对（锂离子电池）更低的成本将使其成为有吸引力的下一代技术，尤其是对于静态储能应用和低成本的电动车辆而言。

锂-硫化学电池

由UCL化学工程学院的Paul Shearing教授牵头，与其他包括伦敦帝国理工学院、剑桥大学、诺丁汉大学、牛津大学、南安普敦大学和萨里大学六所大学和七个工业合作伙伴共同合作的项目，将通过全新的技术、材料以及工程解决方案来实现全新锂-硫电池的研发，成为锂离子电池最有前途同时也是最成熟的替代技术之一。此项目也是获得学会最高投资的项目，获得了780万英镑的资助。