最近在了解新能源汽车的相关知识，因为我的第一辆车斯柯达已经用了10年了，正在考虑要不要换。当时花了十五六万，这个价位放到现在，已经可以拿到配置和性能很不错的国产新能源品牌了。之所以考虑电车，主要是上次亲自体验了一把电车加速的推背感和内饰，深刻感觉：这才是未来啊！

　　新能源汽车，最核心的当然就是电池，更准确的说，是锂离子电池。现在电动汽车厂商，主要的技术方向，就是发展续航更大、更安全的动力电池。因为电池可是占到了电动车成本的40%，是利润最高的部分。有一个观察：现在不管是民用还是军用，凡是用到电池的产品，无论是电动汽车的磷酸铁锂、三元铁锂电池；手机、平板的钴酸锂电池，还是先进常规潜艇的蓄电池，全是用的锂离子电池。

　　可以说正是安全、可靠的商用锂离子电池的出现，才实现了电子设备的便携化，开启了如今的消费电子、移动通信和新能源汽车产业，奠定了打造无线互联社会的基础。反正，只要看看你日常生活所接触的电子产品，无一例外，命都是锂离子电池给的。不然你现在刷手机，不是抱块板砖就是在玩炸药包。

　　因为最近在看新能源汽车，所以详细了解了一下锂离子电池的发展史，也请教了身边从事相关工作的朋友，觉得非常有意思：从基础科学角度来说，锂离子电池的发展其实就是人类如何驯服“锂”——这个自然界最活泼的金属元素之一的过程，从中可以体会到科学探索的乐趣，深刻明白科技进步才是社会发展的根本动力。所以这次就从技术和产业两个角度说说锂电池。

　　我们高中时就学过，世间万物都是由元素构成的。目前人类确认发现的元素总共有118种，包括20多种人造元素。我们的大千世界，不过是由不到100种元素构成的。那么这些千奇百怪的元素都是怎么来的呢？一切当然还得从宇宙大爆炸说起：137亿年前的宇宙大爆炸形成了物质、能量和时空，包括质子在内的各种粒子出现。

　　当宇宙形成约38亿年后，第一个质子捕获了一个电子，天字第一号元素——氢诞生。在引力作用下，氢原子不断聚合在一起形成恒星，并在内部上亿度高温高压环境下发生聚变反应：4个氢原子聚合成一个氦原子、氦聚变成锂、锂聚变成铍、铍聚变成硼，以及之后原子序数更高的元素，一直聚变到铁。太阳每秒消耗6亿吨氢，聚变成5.96亿吨氦，这个过程中的质量损失转化成能量，以光和热形式释放。其中的400亿分之一被地球接收，开启了万物演化的史诗进程。

　　但需要注意的是：恒星聚变不会形成铁以后的元素，铁（原子）核是最稳定的，是构成行星的内核。铁往后的元素，聚变需要吸收能量，只有超新星爆发才能产生，瞬间聚变出包括铁以后的所有重元素，然后抛洒到宇宙中。因此铁核聚变也被称为“恒星杀手”，恒星一旦铁了心想死，拦都拦不住，是线种元素就构成了宇宙万物、大千世界，这些就是物理学最基础，也是最根本的研究对象；物质、能量，进而构成了原子和分子，研究原子、分子运动和相互关系的就是化学。有机大分子又组成了蛋白质，蛋白质是形成生命的物质基础，这有了生物学。人类诞生后创造了文明，进而发展出了历史、政治、经济、哲学、文学、艺术等人文学科。所以人类的知识体系，并不是独立割裂存在的，互相之间存在严密的逻辑关联和严格的先后顺序。而在所有学科之上，研究万物之理的物理学是一切的基础，应用科学的发展水平归根到底要取决于基础物理研究。

　　目前，我们人类掌握的能量开发形式，大部分都只是电磁力的框架内。具体而言：一是化石燃料燃烧，通过热机转换的机械能，再转换为电能（发电）。另一种是利用电子从还原剂（负极）向氧化剂（正极）转移过程中产生的电能，也就是电池。这两者在化学层面都是氧化还原反应，区别在于只是前者剧烈不可控，后者可控，所以电池放电可以理解成一种“缓慢可控的燃烧”，而在物理层面都只不过是利用核外电子排列组合变动，所释放的“边缘能量”。

　　而基于其他三种作用力的能量开发：引力，大概只有引力弹弓和水力发电；弱力是核电池。最有希望的应该是强力：在飞米的尺度上，克服原子核内的库仑斥力，发生核聚变。不可控的是氢弹，另一种就是“永远50年”的可控核聚变。所以人类把一种物质发挥到极限的方法，就是引爆它。而驯服它的过程，就是在可控的情况下，把能量释放出来。

　　电的发现其实很早，微观层面就是表现为：电子从一个高能量状态跃迁到低能量状态，释放能量从而产生电能。电的特点是好用不好存，我们日常用电，几乎都是现发现用，在发电站发电，几百公里远距离高压输电，不仅麻烦而且耗损巨大。如何把电能更方便的保存起来，移动使用，一直是个大难题。所以，如果能在电能的储存上取得突破，不说是一场能源革命吧，但至少也是个重大技术进步。我觉得可以类比人类的武器从青铜进化到钢铁，但如果要出现类似冷兵器到热兵器的革命性进步，应该只有可控核聚变了。而目前最有希望让人类在电的存储上，取得阶段性进展的就是锂离子电池。

　　电池的故事还得从一只倒霉的青蛙说起：1786年，意大利医生伽伐尼捕获了一只离家出走的旅行青蛙，对其进行解剖。他发现当手术刀的刀尖碰到蛙腿上外露的神经时，蛙腿会剧烈痉挛，由此发现了生物电。

　　但这并不是重点，关键的是，此后围绕相关现象的研究，让电池原理得以被发现。1800年，物理学家伏特受青蛙实验启发，把金属锌板和铜板叠在一起，中间夹上多层盐水浸泡过的布片，经过反复多层叠加，产生了明显电流，由此发明了世界上第一种电池——伏打电池。

　　这种电池的原理就是利用不同活性金属，发生氧化还原反应时产生的电子流动：活性更高的锌在电解液中失去电子，发生氧化反应，成为负极，较稳定的铜，几乎不会分解，成为正极。当两者被导体连接时，电子通过外部电路从锌流向铜，形成回路产生电流。从此，人类对电的认识，就是不再只是摩擦皮毛的静电、雨中的雷电和生物电，而是能控制流动的电。伏特由于他开创性的工作，奠定了现代化学电池的结构基础，并且提出了电位差理论，就是有电压就会有电流，所以电压单位就以他的名字命名了。‍

　　但伏打电池工作时会产生氢气，1836年，英国科学家丹尼尔进行改良，发明了更优异的锌铜蓄电池：负极的锌放在硫酸锌溶液中，正极的铜放在硫酸铜溶液中，并在两者中间加入盐桥。这个电池的原理，大家高中化学应该都学过吧，负极发生氧化反应，失去电子，通过外部电路进入硫酸铜溶液，与其中的铜离子发生还原反应产生金属铜，正极重量增加。

　　这种电池结构简单，而且能够充电循环。这里说下充电和短路的原理：电池本质上是利用化学反应产生能量，遵循能量守恒定律，接入外部用电器消耗了就能实现平衡。如果没有用电器，直接回路导通，能量将无处可去，瞬间变成热能（多看一眼就会爆炸）。一旦内部的化学能量消耗完毕，电池就没电了，充电就是通入外部电流将移动到正极的电子重新归位，循环使用。

　　铅酸电池之后，人类又发明了镍镉电池，就是你们小时候玩四驱车用的充电电池。但由于化学特性，如果没把电用完就充电，会发生“镉中毒”现象，电池会“记忆”了“最低电量”，导致下次充满电量缩小，小时候家里长辈应该都告诉过你吧。而且镉是重金属，会造成环境污染，所以现在基本被淘汰了。此外还有碱性电池，因使用碱性电解液而得名，就是平时最常见的那种一次性电池（南孚）。

　　而在这些电池种类中，还是铅酸电池因为成本低、安全性好，又能充电，在被发明后的100多年内，成为人类使用最广泛的储能电池。车载蓄电池、常规潜艇、坦克、电瓶车，都曾经采用铅酸电池。但是，它太重了，59坦克用的铅酸蓄电池，四块，每块40公斤，坦克兵三大苦，除了拉履带，擦炮膛，最恐怖就是拖电瓶，四个人要把总共320斤的蓄电池从电瓶间弄到几百米外的车上，那个酸爽就别提了。

　　我十多年前骑的老式电瓶车，用的也是铅酸蓄电池，隔一两天就要提着30多公斤的电池，吭哧吭哧爬到三楼充电，被迫健身。

　　那相信这里你也看出铅酸电池的缺点了：体积重量大，能量密度低，充电次数有限。但人类对能量的追求是永无止境的！既然电池的原理就是利用活性金属发生氧化反应失去电子，那只要找到更活泼的金属，不就能造出能量更大的电池了嘛。

　　而同一主族的元素，从上到下，最外层电子数相同，但电子层数依次增加，最外层电子离原子核越来越远，失电子能力越来越强。

　　所以活泼金属全部都聚集在元素周期表最左列——锂钠钾铷铯，这些暴脾气的金属甚至可以直接与水发生剧烈反应（多看一眼就会爆炸）。其中最活泼的就是电子层数最多的那个，也就是表格左下角的铯。其实理论上比铯还活泼的金属也是存在的，就是往下一格的钫，但由于钫是放射性元素，所以铯被公认是世界上最活泼的金属。

　　既然铯最活泼，那为什么现在没有铯离子电池呢？因为锂最轻啊！锂钠钾铷铯，都是电离出一个电子，但锂的原子质量最小，宏观性质就表现为能量密度最高。在所有的金属元素中，锂因为最少的最外层电子数和最轻的原子质量，再加上储量和制备成本的关系，就成为了高能量电池的最优选择。

　　当然按照这个逻辑，锂往上还有比它更轻的氢，氢是整个元素周期表中，最简洁、能量密度潜力最高的存在。

　　但是，要把理论落到实处，变成实用的产品和商品，就会遇到成本、安全、寿命等一系列现实难题。讲到这里，我们的主角锂离子电池才正式出场。之所以前面要说这么多，因为只有从最基本的原理入手才能让大家明白：电池技术说到底，就是利用不同元素的核外电子排布，以及电荷自由度所表现出的不同性质，来最高效获取能量。同时大家应该也能感觉到了：电池技术之所以发展路径如此明确，归根到底是有系统完整的理论支撑，顺着元素周期表挨个去试就行，剩下的就是解决具体的工艺问题。其实锂往下的钠，虽然能量密度不如锂，但由于储量更大，也是现在电池重要的发展方向，这个后面再详细说。而与之形成对比的，就是前段时间很热的超导：因为目前关于超导现象没有确切的理论解释，所以开发超导材料就跟古代炼丹术炼金术差不多，知其然而不知其所以然，要靠运气。

　　明白了锂才是电池的发展方向后，很快20世纪70年代，以二硫化钛为正极材料，以金属锂为负极材料的可充电锂电池被发明出来，并以远超传统电池的能量密度备受市场青睐牛宝体育，当时的“大哥大”用的就是这种锂电池。注意！这里是锂电池，而不是锂离子电池，区别后面会讲。

　　但是初代锂电池存在着极大的安全隐患，根本原因还是锂太活泼了，在充电时容易产生枝晶，这是由于当电池以超过可承受的电流运行的时候，大量锂离子会来不及嵌入电极，在表面堆积，形成树状枝晶，从而刺破正负极之间的隔膜，造成内部短路爆炸。

　　而在解决锂电池安全性的过程中，有一位科学家脱颖而出——约翰 · 古迪纳夫、“锂离子电池之父”。其实初代锂电池最大的问题，就是负极材料直接使用了金属锂，活泼过头了。这时候，人们想起了另一种电池原理——离子转移，这种电池已经不像此前那样，靠化学反应产生电子。

　　具体而言：当电池充电时，电子通过外部电流先聚集到负极上，同时正极的锂离子进入电解液，穿过隔膜上弯弯曲曲的小洞，到达负极与早就跑过来的电子结合在一起。

　　而放电时，负极的电子通过外接电路到正极产生电流，锂离子就再进入电解液，穿过隔膜，到正极与电子结合。因为充放电的过程，只是通过锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌实现的，整个电池中只有锂的离子状态，没有金属锂，安全性不就大大提高了嘛！所以这类电池被称为锂离子电池。

　　而正极材料，只要能产生锂离子就行，古迪纳夫经过研究认为：含锂的层状金属氧化物是理想的正极，此时他正在研究一种神奇的材料——钴酸锂，这是一种类似坦克复合装甲的层状结构，钴原子和氧原子紧密结合，形成正八面体的平板，而锂原子就嵌在两个“平板”之间。这种结构既稳定，锂原子又能在其中快速移动。钴酸锂做正极材料，成为电池中锂离子的提供者，不仅能承受更高电压，提高电量，而且不敏感牛宝体育，安全性更好。

　　不过，由于此前的锂电池教训太过惨烈，当时整个西方世界竟然没有一家企业敢接手这个发明。而第一个吃螃蟹的是日本，80年代日本的电子产品横扫国际市场，对电池技术的更新非常迫切。当时的索尼已经找到了锂离子电池合适的负极材料——石墨，因为负极材料只是储存电子和锂离子的“仓库”，而石墨结构稳定，可以让电子储存在碳元素之间，而且价格低廉，是理想的负极材料。

　　古迪纳夫的钴酸锂正极和索尼的石墨负极一拍即合，很快开发出了全新的可充电钴酸锂电池，一经问世立刻大受好评，索尼一跃成为电池行业老大。我们今天使用的绝大部分锂离子电池仍然延续了石墨负极——锂化合物正极这种架构，近30年来没有大的改动。你的手机、笔记本电脑用的都是钴酸锂电池，它们的命都是这位老爷子给的。

　　发明出钴酸锂电池后，古迪纳夫并未停止脚步。钴酸锂虽然储能性能好，安全性也不错，但仍然不是一个十全十美的材料。最大的问题是，长时间使用后，中间的锂总是会移动，层状结构容易崩塌，就无法再存储锂离子了，从而造成电池容量衰减。而另一个原因是钴太贵了，看看钴在元素周期表中的位置，铁之后的元素那都是超新星爆发才产生的，地球上本来就没有多少。

　　为了解决钴酸锂电池的问题，1997年，古迪纳夫又一次拿出了新的正极材料——磷酸铁锂。磷酸铁锂，简称LFP，先看看它的晶体结构：铁与氧组成FeO6八面体，磷与氧组成 PO4 四面体，按照一定规则构成骨架，形成Z 字型的链状结构，而锂原子就在其中的空位中。

　　相比钴酸锂的层状结构，磷酸铁锂的骨架结构更稳定，在中间的通道，锂也能快速移动。虽然储能效果要比钴酸锂差一点，但关键是便宜啊，主要成分只是铁和磷，性能提升可以慢慢来。所以磷酸铁锂电池一问世，就靠着稳定性和低成本迅速投入大规模应用，成为现在新能源汽车的主要电池种类之一。

　　先有钴酸锂，又有磷酸铁锂，古迪纳夫在锂离子电池技术突破上，做出了卓越的贡献，而且在成本、可靠性方面实现了商业化基础。可以说，正是安全、可靠的商用锂离子电池的出现，才实现了电子设备便携化，开启了现在的消费电子、移动通信和新能源汽车产业，你现在才能这么舒服的刷手机。老爷子也因此获得了2019年的诺贝尔化学奖。他的历史功绩，完全可以称得上是现代的“普罗米修斯”，为人类“偷”来了锂电的“天火”。“锂离子电池之父” 的称号当之无愧。不幸的是，今年6月25日，100岁的古迪纳夫去世了，这位杰出的科学家，在生命最后几年里，依然在孜孜不倦的攻坚全固态电池——这个有希望彻底解决锂离子电池安全问题的技术。

　　具体到中国国情，不论是磷酸铁锂电池还是三元锂电池，正极材料都很依赖于进口。为了降低成本，钠离子电池和无钴电池成为下一步的重点发展方向。

　　其实，整个动力电池的产业链，可以分为上中下三个环节。上游部分主要是锂矿，钴矿、镍矿也是重点争夺领域。智利是目前全球已探明锂矿储量最大的国家，超过800万吨，占全球57%，而我国的锂储量只有100万吨，仅占全球7%。

　　为了把控上游原材料价格，国内锂电相关企业纷纷出海布局，大规模对海外锂矿资源进行收购，比如西澳格林布什矿。另一家中国企业，赣锋锂业，已经在澳大利亚、阿根廷、爱尔兰等地方的锂矿上拥有了股权。

　　所以在上游这块，企业之间拼的还是钱和资源，谁能收购、入股更多的海外矿山，谁就能在这个领域有更大的话语权。这样的游戏规则下，自然只有实力雄厚的大企业才能活得下去：目前六大企业已经占了84%的市场份额，全球锂资源的供给，基本都掌握在SQM、ALB、FMC、天齐、赣锋等几家大型企业手中。

　　中国新能源车辆制造企业之所以现在能发展成这样，之所以能拿出极具性价比的车型，不得不说，背后上游电池原材料掌握在中国人自己手中是一个很重要的因素。

　　中游部分则是电池及其配套企业。正负极材料、电解液、隔膜材料等配套企业虽然重要，但中游部分的核心依旧是制造电芯和电池模组的企业——这个行业的大型玩家大家都很熟悉了：宁德时代、比亚迪、国轩高科、亿纬锂能……这些企业从上游采购正负极材料、电解液、隔膜材料和其他配套材料后，根据自身的设计理念和客户要求，生产出规格不同的电芯产品、电池模组和BMS方案。

　　不过，动力电池行业如今也呈现出了较高的集中度——2020年的时候，前三大电池生产企业的装机量达到了45.4吉瓦时，占了全球总装机量的71%。显然，这是一个门槛极高的行业。以宁德时代和比亚迪为代表，中国企业的先发优势将会牢牢地形成阻挡后来者的护城河。

　　锂电池产业链的下游，则是各种终端应用生产商。我们是非常幸运的，庞大的人口数量，叠加几十年发展的红利，最终使得我们成为了锂电池的“天选之地”——不仅有旺盛的消费市场，也有庞大的产能和完整的产业链。

　　2015年的时候，中国锂电池出货量只有45GWh，7年之后的2022年，中国锂电池的出货量已经达到了130GWh，和电池出货量同步起飞的，是中国的新能源汽车产量。2022 年我国新能源汽车销量为687.2 万辆，同比增长96%，渗透率为25.6%。

　　不过呢，虽然现在的锂离子电池，已经在消费电子市场一统江湖，但安全和能量密度，一直是锂离子电池产业最核心的两个问题。要搞清楚原因，我们还是从最基本原理解释。如果把锂离子电池比喻是一个城市，正极就相当于城市所有的工作岗位，负极相当于城市里的住宅公寓，锂离子就是城市里辛勤工作的普通打工人。放电就是打工人从公寓（负极）去单位（正极）上班释放能量的过程，充电就是打工人下班，回公寓休息补充能量的过程。

　　：相当于经济环境恶化，企业降本增效裁员，竞争更加激烈，同时黑心房东又涨了房租，打工人压力太大，纷纷逃离北上广回老家了，具体表现就是电池用的越久，正负极材料在充放电过程中会不断收缩膨胀，不可避免会从集流体上脱落，导致可嵌入的晶格数量降低，从而降低电池容量。就好像打工人在单位时间长了，最初的热情逐渐归于平淡，慢慢开始摸鱼，同时大公司的山头主义，各部门扯皮，导致工作效率下降。

　　。这种情况在冬天尤其明显，温度降低，电解液的粘度增大，锂离子在正负极之间的迁移受到了很大阻碍。就好像下雪天，路上湿滑，打工人上下班效率降低，或者城市基建太差，交通瘫痪导致上下班成本高。这就是为什么冬天一到，电动车就成你爹了。而且尤其要注意的是：低温给手机充电时，锂离子嵌入石墨的速度变慢，来不及嵌入的锂离子也会在表面形成枝晶成为“死锂”，不仅降低电池寿命，而且容易刺穿隔膜，增大短路爆炸的风险。所以和燃油的内燃机动力相比，现在动力电池还是太娇气了。总之，现阶段增加电池容量，依旧是各大电动车厂商提升续航最有效的方式。大力出奇迹，反正冬季续航都要打折，电池越大，打折后续航也就越长。同时用更加先进的电池管理系统避免电池在危险状态下工作，提高安全性。比亚迪的刀片电池就是通过结构创新，把方块长度变长，用电池壳体本身来提供一部分电池箱的强度，这样电池箱体不需要做得很厚重，从而提升了成箱后的能量密度，在保证安全性的同时用物理方法提高电池容量。

　　但这些措施只是治标不治本，要想从根本上解决问题，还得革新正负极材料和电解液。钠离子电池被认为是接下来重要的发展方向：其实就是用含钠化合物做正极，用钠离子取代锂离子在系统内嵌入和脱嵌。虽然钠的原子重量是锂的三倍，导致其嵌入和脱嵌的阻力更大，能量密度不如锂。但好在钠储量丰富，是地壳第六大丰富的元素，不仅在海洋中随处可得，提纯也更环保也更容易。而且钠离子电池的生产设备、工艺可以和和锂离子电池完美兼容，无缝衔接，甚至可以直接复制嫁接后者成熟的生产体系。

　　宁德时代就是目前钠离子电池开发的领跑者，第一代钠离子电池的电芯单体能量密度达到了160Wh/kg，虽然和磷酸铁锂的210Wh/kg和三元锂电池的300Wh/kg相比还有很大差距，但低温性能更好：在零下20度的情况下，依然有90%以上的放电保持率；常温下15分钟就能充电80%以上，在很多领域取代铅酸电池已经毫无问题了。而且宁德时代预告的第二代钠离子电池，电芯单体能量密度将超越200Wh/kg，完全可以媲美磷酸铁锂，投入更大规模的应用。

　　其次，就是负极材料的更新。电池的充放电，其实就是锂离子在负极材料中进进出出，如果能提高负极材料的晶格容量，也能提高电池能量密度。目前的石墨负极材料，已逼近372mAh/g的理论极限了。材料更新最简单的办法就是寻找同族元素：因为最外层电子数相同，就表现出类似的化学性质。

　　碳下面就是硅，硅基是目前容量最高的电池负极材料，理论值高达4200mAh/g，是石墨负极理论极限的近12倍。特斯拉的第三代4680电池，革命性地使用了硅碳负极材料，能量密度达到了3300Wh/kg，是此前21700电池的5倍，发展潜力巨大。

　　还有荣耀最新的MagicV2折叠屏手机，为了把折叠后的厚度做到9.9mm，青海湖电池做到了像卡片一样轻薄。这样为了保证足够的电池容量，采用了硅碳负极材料，能量密度比石墨负极的电池提高12.8%，反正我是被惊到了！

　　从第一块电池诞生到现在的锂离子电池，电池技术200多年的发展，也是人类接触、了解、利用元素，进而获取能量的过程。锂离子电池或者钠离子电池，都只是其中的代表而已，并不是终点。在未来，人类还将向着更高效的氢燃料电池、可控核聚变进军，这些更有前途也有更有难度的高新技术，关于它们的故事，我们下次再讲。牛宝平台入口牛宝平台入口牛宝平台入口