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目前市面上的鋰電池與“真正”的高能電池還有著多大的差距
純電動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化所面臨的第一大障礙就是“里程焦慮”，問題實(shí)質(zhì)就是動力電池系統(tǒng)的能量密度問題。
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現(xiàn)有的鋰離子電池體系，其實(shí)只能算是“半個”高能電池，因?yàn)樗母弑饶芰恐饕墙⒃谪?fù)極極低的電極電勢基礎(chǔ)之上，而目前商業(yè)化的幾種過渡金屬氧化物正極材料不管是工作電壓還是比容量都并不明顯優(yōu)于水系二次電池的正極材料。
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因此，要想使鋰電成為“真正”的高能電池僅有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。但是由于諸多客觀因素的制約，鋰離子電池能量密度的提升已經(jīng)接近瓶頸。
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理論計算表明，現(xiàn)有的接近實(shí)用化的最高容量正負(fù)極材料體系(高鎳三元搭配硅碳負(fù)極)能量密度大約在300Wh/Kg略高的水平。大型動力電池由于諸多技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面跟3C小電池有很大不同，這些因素使得即便是相同正負(fù)極搭配體系，大型動力電池的能量密度要比小型3C電池低不少。
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也就是說，在可預(yù)見的未來，可以大規(guī)模商業(yè)化的高能鋰離子動力電池系統(tǒng)其能量密度幾乎不可能超過250Wh/Kg的水平，這個系統(tǒng)能量密度對于普通家庭級乘用車而言，在實(shí)際工況和負(fù)荷條件下也就是300Km出頭的續(xù)航里程。
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后鋰電時代(BeyondLIB)有兩個耀眼的“新星”，它們就是Li-S和Li-Air電池。其實(shí)它們都老掉牙的體系，只是近些年又被重新包裝熱了起來。如果我們仔細(xì)分析這兩個電化學(xué)體系就會發(fā)現(xiàn)，它們的最核心問題仍然是金屬鋰負(fù)極問題。
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Li-S電池必須解決金屬鋰負(fù)極問題，否則Li-S電池就基本上喪失了高能的優(yōu)勢。再加上Li-S電池獨(dú)有的“多硫離子穿梭效應(yīng)”，筆者并不認(rèn)為Li-S電池在電動汽車上會有實(shí)際應(yīng)用的可能性，未來Li-S電池在軍用和野外這樣一些小眾的特殊領(lǐng)域可能會有一定的應(yīng)用前景。
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Li-Air電池的思路和出發(fā)點(diǎn)和Li-S電池并不一樣，它屬于空氣電池的范疇。但是在筆者個人看來，金屬-空氣電池特別是二次金屬-空氣電池，實(shí)際上是把二次電池和燃料電池兩者的缺點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，并且放大了缺點(diǎn)。二次Li-Air電池涉及到的技術(shù)難題比Li-S電池更多更復(fù)雜。
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筆者個人認(rèn)為，鋰電的下一個突破點(diǎn)可能在于全固態(tài)鋰離子電池，而非當(dāng)前炒作得很熱門的Li-S和Li-Air甚至石墨烯電池。由于采用金屬鋰做負(fù)極，全固態(tài)鋰離子電池的能量密度相比于當(dāng)前的液態(tài)鋰離子電池會有較大的提升(筆者估算其實(shí)際能量密度可以達(dá)到350Wh/kg的水平)。良好的安全性則是全固態(tài)鋰離子電池的另外一大優(yōu)點(diǎn)。
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但是，由于固體電解質(zhì)的離子傳輸特性以及固體電解質(zhì)和正負(fù)極材料的界面電阻問題，決定了倍率性能必然是其短板。另外，全固態(tài)電池的循環(huán)性和溫度性能仍然面臨很大挑戰(zhàn)。
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筆者個人認(rèn)為，全固態(tài)鋰離子電池將來有可能在3C小型電子設(shè)備上獲得實(shí)際應(yīng)用，大型動力電池或許并不是其適用領(lǐng)域。根據(jù)當(dāng)前國際上全固態(tài)鋰離子電池的研究和發(fā)展?fàn)顩r，筆者并不認(rèn)為在未來5-10年之內(nèi)全固態(tài)鋰離子電池有大規(guī)模商業(yè)化的可能性。
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筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是，對于上述鋰電安全性和能量密度問題的認(rèn)識和理解，需要具備相當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)專業(yè)知識以及資深的鋰電生產(chǎn)實(shí)踐，由于篇幅的限制筆者這里不再贅述。
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對比鋰離子動力電池和燃料電池，我們可以看到，鋰離子動力電池能量密度進(jìn)一步提升的空間非常有限。如果從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個問題并不難理解，二次電池的能量密度增加并不遵循摩爾定律。
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能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對而言，PEMFC的能量密度問題并不是很突出，即便是通過最簡單的增加儲氫罐數(shù)量來保證續(xù)航里程，可操作性也相對比較容易。
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我們也可以從另外一個角度進(jìn)行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(hù)(對鋰電而言則是絕對必須)，而正是因?yàn)槎坞姵厥莻€密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個密閉的高能體系在本質(zhì)上跟炸彈有何區(qū)別？
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從最基本的能量守恒定律就講不通！那么從這個角度就很容易理解，鋰離子電池(實(shí)際上也包含所有二次電池體系)的能量密度提升空間將是很有限的。而燃料電池則是一個開放式系統(tǒng)，電堆只是電化學(xué)反應(yīng)場所而已，系統(tǒng)的能量密度主要取決于儲氫系統(tǒng)的儲氫量。
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正因?yàn)槭莻€開放體系，燃料電池在能量密度上提高的潛力更大，并且先天具有更好的安全性，這個優(yōu)點(diǎn)恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學(xué)電源的一個更高的發(fā)展層次。
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從根本上來而言，包括鋰離子電池在內(nèi)的二次電池是一個電能存儲裝置，而燃料電池則是一個電能生產(chǎn)裝置，這個最本質(zhì)的差別就決定了兩者在應(yīng)用領(lǐng)域的不同定位。
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燃料電池和二次電池諸多不同特點(diǎn)，就決定了二次電池適用于中小功率的儲能用途，而燃料電池則更適合較大功率的應(yīng)用。因此筆者個人認(rèn)為，鋰離子電池在電動汽車上的定位是輔助動力裝置，HEV和PHEV以及小型純電動車是其主要應(yīng)用領(lǐng)域。
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而PEMFC燃料電池從一開始就是作為大型動力源發(fā)展起來的，是名副其實(shí)的“動力電池”。筆者這里要強(qiáng)調(diào)指出的是，PEMFC燃料電池和鋰離子電池兩者在應(yīng)用領(lǐng)域上并無重疊，它們在電動汽車上是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而不是誰取代誰的問題。
