事實(shí)上，鋰離子電池被大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)。如今我們距離鋰離子電池在硬件產(chǎn)品上的第一次爆炸事件，才僅僅過(guò)去了 30 年，而造成那次悲劇的「鋰枝晶」現(xiàn)在依然是電池研發(fā)人員的噩夢(mèng)。
慢充保壽命，快充省時(shí)間的鋰電池
從口袋里的手機(jī)，到桌面上的電腦，再到路上跑的電動(dòng)汽車，鋰離子電池都是現(xiàn)在絕大部分智能電子設(shè)備的動(dòng)力之源。
鋰離子電池是電子設(shè)備中最常用的電池，這要得益于「鋰」的金屬特性，密度低到 0.534g / 立方厘米，原子質(zhì)量小到 6.9u，因此它是一種質(zhì)量很輕并且極易與外界發(fā)生反應(yīng)的金屬。
鋰電池的工作原理是這樣的：
充電的過(guò)程就是鋰離子從正電極中移動(dòng)到負(fù)電極，放電的過(guò)程就是鋰離子重新跑回到正電極。鋰離子可以看做載著電荷的小車，在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中形成電流供電。
電池快充就是讓鋰離子移動(dòng)的速度加快。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果，不僅需要適當(dāng)改變充電電壓，還需要對(duì)鋰離子移動(dòng)的路徑，也就是電解質(zhì)進(jìn)行改良。
電池的一個(gè)重要的指標(biāo)就是「能量密度」，可以理解為：每公斤的物質(zhì)最多能夠攜帶的能量。
另外一個(gè)常見(jiàn)的指標(biāo)是電池容量，這個(gè)數(shù)值一般會(huì)標(biāo)注在電池或者電子設(shè)備上。當(dāng)一個(gè)電池的放電電量達(dá)到了電池容量的 100%，就是完成了一個(gè)充電周期。經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的充放電周期后，任何類型的電池容量都會(huì)變少。
電池壽命縮短的過(guò)程與「鋰枝晶」有關(guān)。我們把鋰離子看做小車，但是這些車隊(duì)在充放電的往返過(guò)程中并不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩、整整齊齊。
它們會(huì)在出門(mén)的時(shí)候把車庫(kù)撞壞（引起結(jié)構(gòu)變化），也會(huì)在返回車庫(kù)的時(shí)候幾輛車一起把車庫(kù)的門(mén)堵住，引起塞車，當(dāng)這條車龍到達(dá)一定的長(zhǎng)度，就會(huì)讓電池發(fā)生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」，如今的車龍依然存在，只是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步得到了緩解。
鋰電池商用的歷史，索尼是一個(gè)里程碑
在消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)始起飛的年代，廠商急需一種輕便、大容量，又能循環(huán)充放的電池。這種迫切讓電池制造商和產(chǎn)品廠商忽視了「鋰枝晶」的危害。
這就要說(shuō)到鋰電池制造商先烈——加拿大公司 Moli Energy。這家公司在 1985 年推出了一款 AA 型鋰電池，能量密度超過(guò) 100Wh/kg，成為當(dāng)時(shí)炙手可熱的當(dāng)紅炸子雞，并在 1989 年推出第二代鋰電池產(chǎn)品。
這家公司生產(chǎn)的鋰電池被率先用到日本著名計(jì)算機(jī)設(shè)備制造商 NEC 的電腦，和日本電信電話公司 NTT 的電話中。悲劇的是，使用了新電池的產(chǎn)品在 1989 年春天發(fā)布后，隨之而來(lái)的是產(chǎn)品出現(xiàn)起火爆炸的安全事故。
電子產(chǎn)品變身易燃易爆危險(xiǎn)品，在當(dāng)時(shí)的日本引發(fā)恐慌。最后 Moli Energy 不得不宣布全部召回已售產(chǎn)品，并賠償受害者。1989 年底，Moli Energy 在破產(chǎn)之際被 NEC 收購(gòu)。
NEC 按照 Moli Energy 原有的制造方式從制造了 50 萬(wàn)個(gè)電芯，對(duì)每一個(gè)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。接著，把這些電芯組裝成電池，安裝在手機(jī)上，用了約一年半的時(shí)間進(jìn)行了 5000 次充放電循環(huán)。
NEC 在這個(gè)大型測(cè)試中發(fā)現(xiàn)幾乎所有手機(jī)電池都出現(xiàn)了故障，從電池容量急劇衰減到爆炸。面對(duì)這樣慘烈的結(jié)果，NEC 只能宣布永久放棄將金屬鋰作為負(fù)極用作可充電池的技術(shù)方案。
索尼從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始就與日本石化巨頭朝日化學(xué)合作研發(fā)可充電電池。直到1990年2月，索尼宣布推出它的第一塊商品化鋰離子電池，這是電池工業(yè)上的一個(gè)里程碑。
索尼的這款「18650 圓柱型電池」最初是為 CCD-TR1 8 毫米錄像機(jī)設(shè)計(jì)制造的，電池容量為 1000-1300 mAh。憑借這項(xiàng)電池技術(shù)，索尼在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域勢(shì)如破竹，并且成為全球電池市場(chǎng)上最受歡迎的供應(yīng)商之一。
然而在 1995 年，索尼在日本福島的鋰離子電池工廠發(fā)生大火，超過(guò) 100 萬(wàn)電池被燒，并且再次在社會(huì)引起恐慌。
經(jīng)過(guò)調(diào)查，電池工廠起火原因是電池老化和充放電實(shí)驗(yàn)室的托盤(pán)材料沒(méi)有阻燃性，這導(dǎo)致意外產(chǎn)生的火花在溢出后，迅速蔓延點(diǎn)燃了工廠。而之所以實(shí)驗(yàn)室托盤(pán)材料不過(guò)關(guān)，是因?yàn)楣S要降低成本。
后來(lái)索尼經(jīng)過(guò)與東京消防廳的艱難交涉，才沒(méi)讓鋰離子電池被列為危險(xiǎn)品。之后索尼為自己的電池工廠建立了更加嚴(yán)苛的安全測(cè)試及保障措施。
其中包括一個(gè)「針刺測(cè)試」，充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑 3mm 的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀?。測(cè)試電池不起火、不爆炸則為通過(guò)測(cè)試。
通過(guò)「針刺測(cè)試」的技術(shù)太難了，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中就沒(méi)有包含該項(xiàng)測(cè)試。今年 3 月初，工信部官網(wǎng)發(fā)布《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》等三項(xiàng)汽車行業(yè)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，「針刺測(cè)試」也被取消了。
不過(guò)一直被電池虐的索尼，在 2017 年把電池業(yè)務(wù)也出售了。
以電動(dòng)車為例，電池面臨的三個(gè)問(wèn)題
我們距離鋰電池正式大規(guī)模商用才不到 30 年，目前最流行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統(tǒng)計(jì)顯示，鋰離子電池的性能和價(jià)格演進(jìn)速度正在放慢，這個(gè)趨勢(shì)很有可能會(huì)在未來(lái)影響電動(dòng)汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。
一位從事電池研發(fā)多年的技術(shù)人員 Tiger 告訴愛(ài)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(gè)方面。
換個(gè)角度，電動(dòng)車?yán)镫姵孛媾R的問(wèn)題主要有三個(gè)，分別是：
首先，「里程焦慮」與鋰離子電池的能量密度有關(guān)。鋰這種金屬的理論極限能量密度是 14000Wh/kg，由于鋰電池一般都會(huì)摻雜其他物質(zhì)，再加上正負(fù)極材料的影響，因此目前工業(yè)生產(chǎn)的鋰電池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg。
由于需要考慮電池材料在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，因此突破 300Wh/Kg 的電池制造技術(shù)只有少數(shù)廠商可以做到，比如特斯拉就在其中。
最近 20 年來(lái)商用電池的研發(fā)基本都沒(méi)有太大的突破，在化學(xué)電池這個(gè)領(lǐng)域里，如果人們找不到能夠替換「鋰」的新材料，基本上電池能量密度也沒(méi)有突破的指望。
也就是說(shuō)，包括手機(jī)、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)車在內(nèi)使用鋰電池為主的智能產(chǎn)品，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電池的單次續(xù)航依然會(huì)明顯受到限制，只能通過(guò)增加充電次數(shù)、加快充電效率等方式來(lái)解決。
其次是安全問(wèn)題。
電池依然是一個(gè)易燃易爆的脆弱事物，坐飛機(jī)時(shí)電池不能托運(yùn)只能隨身攜帶就是其中一個(gè)表現(xiàn)。
汽油車起火時(shí)，人們往往還有逃生時(shí)間，但若換成是電動(dòng)車電池起火，基本是瞬間被火海淹沒(méi)，車內(nèi)人員生還的可能性比汽油車低得多。
另外，高溫狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)容易分解，導(dǎo)致起火。電池發(fā)生碰撞也有可能短路起火。
第三個(gè)是鋰離子電池的成本問(wèn)題。
為了讓鋰離子電池在使用時(shí)更加穩(wěn)定安全，電池內(nèi)部會(huì)添加各種化學(xué)物質(zhì)，可以做到改善電池的溫度特性、增加電池倍率等。這些物質(zhì)包括鈷、鎳和其他稀有金屬。
這些稀有金屬在地球上的儲(chǔ)量很有限，開(kāi)采的難度也比較高，隨著電動(dòng)汽車電池的需求量日益增長(zhǎng)，稀有金屬原材料的價(jià)格也水漲船高。
《自然》雜志曾統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球每年生產(chǎn) 1000-2000 萬(wàn)輛電動(dòng)車，按照每個(gè)電動(dòng)車電池需要 10 公斤的鈷，那么屆時(shí)的電動(dòng)車行業(yè)每年需要 10-20 萬(wàn)噸的鈷。然而這個(gè)需求量已經(jīng)是目前世界鈷產(chǎn)量的大部分。
鋰離子電池的短板太多，電池技術(shù)在最近二十多年來(lái)基本是在緩慢前行。《自然》雜志的預(yù)測(cè)是：
我們距離鋰電子電池革命僅剩下 10 年。
電池研發(fā)是一件相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間的事情。比如研發(fā)人員電池的某個(gè)部分進(jìn)行改進(jìn)，那么就需要進(jìn)行大量的充放電實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證效果。
每一次充放電都是需要耗費(fèi)時(shí)間和資源的。為了讓電池研發(fā)人員可以更好地對(duì)電池剩余充放電次數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院與豐田研究所共同創(chuàng)建了一種人工智能，可以用來(lái)預(yù)測(cè)電池的性能和壽命。
這個(gè)算法通過(guò)學(xué)習(xí)上億次電池充放電的數(shù)據(jù)，因此能夠在收集單個(gè)電池五次充放電周期的數(shù)據(jù)后，預(yù)測(cè)電池的剩余壽命，正確率為 95%。這項(xiàng)人工智能技術(shù)預(yù)計(jì)能幫廠商在研發(fā)電池時(shí)提速。
鋰離子電池是近代最偉大的發(fā)明之一，它改變了很多電子產(chǎn)品獲取電能持續(xù)工作的模式，讓它們具有可移動(dòng)、可攜帶的特點(diǎn)，進(jìn)而影響了我們?nèi)粘Ｊ褂孟M(fèi)電子產(chǎn)品的方式。隨著電池技術(shù)的提升，手機(jī)上的電池已經(jīng)逐漸不用拆換，出門(mén)帶上一塊充電寶就變成一件理所當(dāng)然的事。
就目前而言，鋰離子電池雖有諸多不足，但它依然是消費(fèi)電子產(chǎn)品最好甚至是唯一的選擇。
在過(guò)去，有很多電子產(chǎn)品都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續(xù)命，當(dāng)時(shí)的用戶可能沒(méi)有想象過(guò)，裝著高性能鋰離子電池的產(chǎn)品會(huì)是怎樣的。
如今我們所使用的電子產(chǎn)品，也被電池技術(shù)的緩慢發(fā)展束縛，你可能沒(méi)有想象過(guò)一部 iPhone 充一次電可以正常使用一周的場(chǎng)景。我想這樣的手機(jī)會(huì)被賣瘋吧。
