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为何动力电池设计困难重重？
以前汽车的电池总是当做即插即用部件，但在电动汽车上，电池的角色发生了改变。现如今，电池是电动汽车差异化关键，也是电动汽车中最重，同时也是最贵重的部件。传统汽车中的蓄电池，原本是一个相当简单的零部件。但在电动汽车中，动力电池组中密布各种传感器，以监测电池发热状况与老化效应，以及动态热负荷与自愈效应。最重要的，电动汽车的动力电池必须在整车架构层面进行设计开发，因为电池的运行状况将影响到整个系统，而且动力电池模块的设计、组装、维护还面临诸多困难。“每个人都清楚，电池是电动汽车中最重要，也最有难度的部件。电池决定了一部电动汽车的重要参数，比如续航里程、成本、安全，以及充电的便宜性等，” 新思科技（Synopsys）研发工程师布莱恩·凯利（Bryan Kelly）说，“续航里程短、成本高、电池组易出毛病，以及充电设施分布不均衡，是当前纯电动汽车面临的主要困难。”电池提供了能量，但它需要被良好地管理与控制，这样电动汽车其他零部件才能正常运作。这就是系统开发思维能发挥作用的地方了。“压缩机、水泵、马达、辅助电源模块，以及车载充电模块，电动汽车需要多种功率电子器件，”凯利说道，“而且，汽车行驶时，上述模块中的功率半导体开开关关，（是耗电的大头），续航问题总会存在。所以电动汽车中总倾向于用大电池，高功率的大电池需要有相应的功率器件来传输能量。这些大功率器件的开关频率要更高，因为功率器件的开关速度越快，传输电能时浪费的越少，电动汽车围绕电池进行系统设计的一切都是为了能效，提高能效是底线。”自动驾驶的引入将会大幅增加开发难度。“（引入自动驾驶）必须要更早在全系统层面进行开发，并研究电池在系统中的作用，”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿（Jim Patton）说道，“这需要更多的仿真，因为自动驾驶功能非常耗电。（实现自动驾驶功能）开发人员需要增加一堆摄像头，若干影像处理模块，以及很多别的元器件，这些元器件都会增加耗电。自动驾驶功能是电动汽车中另一大耗电模块，开发人员需要认真计算仔细仿真（以满足系统续航要求）。上述所有功能的实现都要保证安全。开发人员可以自动插入开路或短路的电路，进行大量故障仿真，以应对各种意外状况。比如，如果交流发电机坏了会怎样？我还能把这辆出故障的自动驾驶汽车开到路边吗？“开发人员要能在安全的前提下处理这种故障，并制定相应的策略以应对不同故障。开发人员要对最坏状况有应对方案，当最坏状况发生，能够把电源从非性命攸关的模块切断，而用以维持刹车等关键部件。”巴顿说道。充电的考虑充电速度也是电动车差异化的重要体现。“十年前，我刚开始在这个领域工作时，电池组的成本超过1000美元/千瓦时，”西门子Mentor事业部（Mentor, a Siemens Business）新移动解决方案机械分析部总监普尼特·辛哈（Puneet Sinha）说道，“现在，特斯拉Model 3或者雪佛兰的电池成本，已经接近150美元/千瓦时，电池成本下降非常快。”伴随电池价格的下降，横在电动车面前的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度要求改变了电池的基础设计。“快充技术的发展，要求电池芯必须能在使用寿命缩减不大的前提下，承受快充条件，而且不能有隐患，”辛哈说道，“电池芯能否耐受快充条件，主要取决于电化学材料。但从电池组层面来看，电极如何设计也会影响到电池组是否耐受快充。这些研究是非常重要的，因为短时间把150到200千瓦时的能量充入电池很有挑战，而且充电时会产生很多热量，所以行业内企业在研究如何在充电时冷却电池的技术。”对这些问题，德拉科汽车（Drako Motors）首席执行官迪恩·德拉科（Dean Drako）颇有同感。德拉科汽车为自己生产的GTE电动超跑设计开发了电池。GTE的电池组支持兆瓦（MW）级功率输出，GTE要实现创纪录的性能，电路的承载能力将受到极致挑战，只有匹配相应的冷却系统，才能实现强劲而稳定的功率输出。“GTE电池具备90千瓦时的容量，峰值电流可达2200安培，支持1800安培稳定电流输出，精心设计的电池组可以为GTE四个电动机持续提供900千瓦的驱动力。电池芯周围密布冷却管，大量冷却管纵横交错，构成大规模并行冷却系统，可以将每一个电池芯的热量快速散发出去。”德拉科汽车网站上这样描述道。迪恩表示，德拉科公司在电池组设计开发上非常努力，锂离子电池设计本身也成为整车架构设计的一部分。“电动汽车电源设计通常考虑续航或功能优先，但我们选择了一条与众不同的路线，因为我们瞄准的是赛车市场。我们造出的汽车要能在赛道上赢得比赛，所以对电源及设计要求都非常高，而且要配备强大的冷却系统，以防止电池过热。电池在充放电时，总有部分能量以热的形式消耗掉，这就是电池的化学特性。”电池与电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围工作，电池与电池组本身工作温度范围很窄，但汽车工作环境千差万别，需要电池组能够适应宽温度范围与其他严苛的外部环境。电池组中的一个电池芯因过热发生问题，很可能会引发整个电池组的链式反应。“这就是为什么人们喜欢用常规标准电池芯，因为电池芯制造商已经对电池芯做了非常严格的测试，采取多种措施以确保电池芯不会爆炸，”迪恩说道，“到电池组开发阶段，需要的就是在电池组内放置足够数量的温度传感器、电压传感器、电流传感器，时刻监控所有状况。”理论上，每一个电池都会配相应的保险丝，通过微控制器来控制电池组的状态并决定是否熔断保险丝。如果出现过热，要有相应的液冷设备来确保电池组温度能降下来。如果不考虑系统的可靠性、安全、健壮性、功率输出，设计出的电池组将危如累卵。德拉科汽车电池组来源：德拉科汽车Mentor的辛哈同意德拉科的观点，电动汽车充放电不是把车放到有空调的车库去充电那么简单。他表示“我们的很多客户意识到了这些问题。在充放电系统中，电池芯当然很重要，但它只是整个问题的一小部分。如果对电池组的热管理处理没做好，即便选用全球最好的电池芯，也不能保证系统在充放电时的安全。在实现直流快充时，需要考虑的因素很多，开发人员要保证系统能既做到快速充电，又不浪费能源。”“另外，所有上述问题，如果发生，都将影响到整车架构。”辛哈说道。“很少有人能在纸上列出，或者说出如果这个问题发生了，我将这样应对；如果那个问题发生了，我将那样应对。”应对复杂系统设计中数百条问题的排列组合，是专用软件发挥作用的时候，利用软件，开发人员能在系统开始设计时就能厘清有哪些技术选项，怎么才能成本更优化，以及“如果我这样做，将会得到这种结果；如果我那样做，将会得到那种结果”等问题。根据上述分析，开发团队很容易就做出正确决定。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。所以，应用模式决定了采用哪种整车架构。”每个环节都很重要，它们还要上下衔接。“内燃机车与电动车是完全不同的两种开发思路，”辛哈说道，“内燃机技术非常成熟，开发人员只需要选择合适的现成技术，将其融入系统中即可，从车身、座位、到座舱技术，一切都按部就班、有章可循，但电动汽车还不是这样。”数据在哪里？在半导体设计的某些领域，存在数据过多的现象，但在电池设计中，开发人员往往面临数据偏少的问题。“我已经在这个领域有几年，一门心思投入到抓取电池数据工作中，也与客户或制造商一起合作来收集数据，但电池数据真的很难抓取。”新思科技的凯利说道，“（新思科技的工具）不是直接的人工智能，但借助新思科技工具，开发人员可以用最小量的数据，来推测系统的性能。”利用工具生成的可用电池组模型，可以嵌入系统中进行系统级仿真，通过设置充电初始状态、电池组构成参数等条件，来计算系统在典型欧洲工况等场景下的结果。开发团队可以直观地查看各电池芯电压与电流的变化，能量消耗，充电状态，甚至能源效率与续航里程。新思科技的巴顿表示，这些模型是电动汽车设计的关键。“很明显，电池是电动汽车的基础，可能是最有挑战的零部件之一，也是开发人员承担压力之所在，因为电池系统是区分不同电动车的根本。车身重量与整车电池能量是一对难平衡的参数，增加电池数量可以增加整车电池能量，但同时也增加了车身重量，从而增加单位里程耗电量。所以，每一次增加电池容量都要同时考虑增加的车重。”电池的化学特性也应考虑。“电池芯材料有很多种组合，加工成电池芯时也有很多种布局方法，不过我们有时忽略了电池芯材料在化学特性上的难点。”巴顿说道，“功率电子就是这样，连接电池和电动机以及车上所有需要供电的零部件，所以提高功率电子的效率很重要。”冷暖空调系统是另一个需要优化的模块。“最高可能有40%的电能被用于冷却电池，电池需要被控制在安全温度范围工作，”巴顿说，“再加上驾驶舱的冷暖空调，电动汽车在北方冬天时就很狼狈。打开暖空调时，电量下降速度简直像决堤之水，所以我们的消费者希望开发人员能尽快从系统层面进行改善。”上述因素都加在一起，系统级面临的挑战就显得奇大无比。“在系统设计时，把所有这些相互作用的零部件放在一起，各器件又是这么复杂，不进行系统仿真就成了一团乱麻，不知道结果是什么。”凯利说道。车上有太多移动部件，很多行为只靠数学计算得不到正确结果，仿真不再是可有可无，开发人员只有利用仿真工具才能得到全部设计参数。而且，电池本身就是非线性器件，有很多非线性效应，其参数与温度和充电状态都有关。所以，从系统层面来看，任何部件都有不可预期的工作状况，有太多的变量，只有通过工具仿真才能理解整个系统，不然就像在小黑屋里乱扔飞镖一样不知所终。摩尔科技（Moortec）首席执行官斯蒂芬·科罗舍（Stephen Crosher）表示，电池的系统设计困难重重，但这却为更先进技术引入打开了门路，比如片上监控。利用片上监控来实现电池组热监护功能，能够从电池中榨取更多的能量。“不管是给手机增加15分钟播放时间，还是让用户不再因里程焦虑而关闭电动车中功能（比如空调），只要能延长电池寿命，就能改善用户体验。电池系统开发面临的困难也为很多新材料搭起上车之路，尽管这些材料从未在汽车上用过。“以前人们都用硅材料做功率器件，但近年来，宽禁带半导体材料由于在高压、高功率应用中的优异特性，越来越受到重视。”芯师（Silvaco）公司市场高级总监格拉汉姆·贝尔（Graham Bell）说道，“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。”碳化硅市场增长前景反映了功率器件材料变化趋势。“主要受混动与纯电动汽车需求驱动，未来5到7年，碳化硅市场年复合增长率接近30%，”贝尔说道，“从供电设施到为电池充电的直流电源，碳化硅器件在电力输送过程里的电源转换环节用途很广。”碳化硅器件另一个应用领域是用在电动汽车伺服电动机等控制模块中。当然，碳化硅还可以用于汽车电动机或其他部件的稳压电路等高功率电路中。”结论Mentor的辛哈表示，半导体与汽车电子生态圈将迎来波澜壮阔的十年，共同经历汽车行业天翻地覆的变化，并见证最终的胜者。“我们审视历史规律，就能做出清楚的判断，在电动汽车（无论有人驾驶还是无人驾驶）市场，那些触类旁通、锐意创新、不墨守成规的企业有更大的机会赢得未来。这类企业不只遵循百年未变的老传统，要有横跨电气、电子、机械三领域高度的视角，能将跨域技术有机融合，真正将三个领域技术融会贯通。”辛哈说道。辛哈最后表示，“设计、制造与用户体验的不同，决定了如何跨域开发，电动汽车的开发要用一种更开放的融合流程，而不是沿用过去的方法。”
来源：高工锂电技术与应用
风口将至？固态电池量产进展解析
汽车电动化进程中最根本的当属动力电池领域，但由于2019上半年特斯拉、蔚来、比亚迪等先后发生车辆自燃事故，包括最近刚刚“火”了的威马，都导致消费者对三元锂电池安全性的担忧与日俱增，可以说给电动汽车产业发展泼了一盆凉水。另一边，新兴造车势力恒大新能源汽车却在如火如荼地扩张，四处招兵买马，仅9月对外发布的招募令中，就计划招聘8000人，其中与固态电池相关的职位便赫然在列。事实上，固态电池由于其爆炸风险低、能量密度高等特点，市场对其能成为下一代电池的呼声和关注度一直很高。但国内与固态电池相关的政策及法规形势是什么样？目前市场中车企的应用水平到底如何？未来应用后，又会给新一代电动车带来那些变革？带着这些话题，我们来一探究竟。●《深评问道》是什么？《深评问道》是汽车之家首个面向行业端用户打造的栏目，特约汽车行业资深从业者执笔，独家解析／揭秘行业大事件。除了热闹表象，我们更想向您呈现对事物本质、因果以及未来可能性的探究和思考。本期行业评论员——车庸，车企研发主管，多年从事品牌战略、产品研发及市场分析等工作，擅长挖掘行业热点及趋势。60s快速了解核心论点：1、政策端，宏观上国家号召重点推动固态电池的应用，同时通过电动车补贴法规等，要求提升动力电池的能量密度，变相倒逼车企应用固态电池；2、海外车企应用形势上，丰田规划较激进，计划在2020年商业化，其他韩、欧车企计划在2025年左右落地该技术，目前多数海外车企正通过强强联合或投资美国初创公司方式，进行技术开发；3、预计在2021年，国内进入固态电池应用初期，新兴造车势力天际等率先使用，电池能量密度达到300Wh/kg；在2025年左右，进入固态电池应用中后期，传统造车势力长城、北汽等也参与到市场竞争中，能量密度或达到近500Wh/kg；4、搭载固态电池后，预计未来高车级电动车型将增多，同时在产品端续航里程、电池安全性、空间灵活性等都会得到质的提升。●固态电池相关政策动向：逆向倒逼，技术应用的必然日本最大公立研究组织—新能源产业技术综合开发机构（NEDO），在2008年发布的电池研发路线图中，就明确指出，要将固态电池作为未来新一代电池的发展方向。而中国也一直力争在该领域取得全球领先地位，所以在2017年2月由工信部等四部委联合发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知中，便首次提出要重点推动固态电池等新体系动力电池的应用，力争使单体电池能量密度在2020年和2025年分别达到400Wh/kg以上及500Wh/kg。事实上，为落实国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，即在2020年，新型锂离子动力电池的单体能量超过300Wh/kg，系统能量超过260Wh/kg的目标，过去国家一直在政策端不遗余力鼓励车企搭载的动力电池向高能量密度、低电耗技术方向发展。近三年来，新能源车补贴标准严格化趋势就是最好的例证。自2017年开始，在纯电动车补贴标准将电池能量密度纳入考量后，2018年及2019年继续对电池能量密度的准入门槛及要求水平提出严苛限制（目前国家补贴金额=标准补贴额*电池能量密度加权值*电池能耗率系数），倒逼车企电池进行技术升级。也正是通过这这种政策上的变相引导，使得我国新能源车用动力电池水平的发展取得了举世瞩目的成就。仅根据工信部新能源车推广目录统计数据看，纯电动乘用车配套的动力系统能量密度从2017年第1批的100.1Wh/kg攀升到2019年第7批的150.7Wh/kg，同比提升51%。但同时，我们也不得不承认，根据目前国内市场中续航里程排名靠前的主要车型来看，电池系统能量密度均不超过185Wh/kg。换句话说，在如今电动乘用车大多采用三元锂电池的体系下，300Wh/kg的电池密度目标已经成为不可逾越的“天花板”，而相比传统动力电池，固态锂电池的能量密度可以提升1-2倍左右，且没有自燃等安全事故隐患。显然，为完成未来动力电池产业发展规划，同时在相关政策的变相鞭策下，各车企肯定会迎风而上，固态电池商用化的趋势也成为必然。●海外车企发展形势：抢跑了，但新一代固态电池应用时间上，却与国内规划目标接近当前，在世界汽车产业全面新能源化趋势不可逆转的背景下，固态电池作为下一代电池的重要选择，在全球范围内受到广泛关注。从大势上讲，真正高水平的固态电池将在2020年前后，以先行落地少量试制产品的方式，将逐步开始商用化，并在2025年左右，真正在全球范围内普及开来。首先，按各个区域的发展形势来看，法国虽然在车载固态电池上的应用最早、普及应用率也高，但是由于其技术水平低，实际参考意义不大。而针对目前受追捧的高水平固态电池，根据公开信息显示，日本车企整体技术规划及应用进度整体较快，其中最为领先的当属丰田，已经对外展示了处于试制阶段的固态电池样品，并计划在明年奥运会期间，率先将搭载高水平固态电池技术的电动车进行小批量的投放使用。其次，是德国及韩国车企，包括奥迪、宝马、大众及现代在内，均制定规划，预计在2025年前后将量产目前正在研发的固态电池，其中奥迪的规划水平相对靠前，计划在2023年推出应用该技术的高性能车型。而按各企业的技术发展模式来看，主要有两种形式，分别以日本、日欧企业为代表。具体来看，日本车企通过与本国传统企业及机构强强联合，在2018年便协同38家单位成立研发同盟，以抱团取暖的方式，加快技术革新，并计划在2022年掌握固态电池核心技术。而韩国和欧洲车企，则大多通过与美国新兴初创公司进行战略合作，推进固态电池的研发，比如BMW、福特等都与美国电池技术公司SolidPower合作，其中福特更是对该公司进行了投资，以强化双发研发全固态电池的协同效果；无独有偶，现代汽车也在三星、戴森之后，投资于美国初创企业Ionic Materials，进行电动车用固态电池的研发，并计划在2025年量产。此外，为了在未来固态电池普及化后，在电池供应端上不受牵制，以德国大众汽车为代表，均计划拟建自营的固态电池生产工厂，以减小在核心业务板块上对外部电池制造商的依赖。可以看到，众多海外车企，或在本国区域内拉拢强势集团、又或者联合海外新兴技术企业，纷纷加快布局固态电池的研究和开发。虽然目前整体都处在技术普及化应用的“前夜”，但相对而言，技术成熟度已经较高，这无疑在即将到来的固态电池应用浪潮中，掌握了先发优势。●国内车企应用动向：蓄势待发，准备亮牌的“前夜”国内整体形势上看，只有部分中国品牌车企发布了明确应用固态电池的规划，但数量上看，占比相对较小。按品牌类别划分，相比长安、广汽传祺等传统造车势力在固态电池领域相对“低调”的动作，以天际、蔚来及爱驰为代表的中国新兴造车品牌，在固态电池的布局上则上更为积极。而根据这两大势力的技术应用规划，可将固态电池在国内应用划分为三个时期，即目前到2021年，为固态电池市场孕育期，各方均未投放产品，只进行相关产品的规划和研发，市场仍是三元系电池的天下；在2021~2025年，进入固态电池应用初期，电池能量密度达到300-500Wh/kg，届时搭载固态电池的车型将成为电动车市场中的“高端品”；在2025~2030年左右，甚至在未来更长时间里，才能真正迎来市场的成熟期，到时固态电池能量密度才能突破500Wh/kg的天花板，真正在市场中普及开来。具体车企来看，在固态电池应用前期，新兴造车品牌是主力，通过“背靠大树”，以与国内实力较强的固态电池供应商合作方式，抢占了市场先机。其中，以规划进程最快是天际汽车，在2019年初，便发布了国内首款应用固态电池的试装车ME7,搭载的辉能电池能量密度达到300Wh/kg，电池包能量密度达到220Wh/kg,并计划在2021年进行批量生产及上市。而同年，蔚来和爱驰也紧随其后，宣布与辉能合作，开始着手应用车载固态电池技术。而到了固态电池应用中后期，长城、比亚迪等传统造车企业才逐渐走向前台，通过依托母公司的关联企业，推进固态电池技术的开发和应用。以长城汽车为例，通过母公司下属的蜂巢能源，预计开发的固态电池单体能量密度达350~500Wh/kg，并计划在2025年左右上市；而北汽集团通过对清陶能源的注资，估计在2025年前上市的新车，将搭载合作公司单体能量密度为400Wh/kg的固态电池。而随着国内如宁德时代、赣锋锂业等电池供应商对固态电池的持续投入和布局，相信国内更多的车企会加入到固态电池应用浪潮中，他们肯定不会错过这个领域。●固态电池应用后，为下一代电动车开启“新世界”根据汽车之家已上市及近期即将上市车型数据整理，目前整体电动车市场中，轿车与SUV的车型数量比例六四开，即轿车的数量更高；同时，按车型级别来看，统计车型中，微小型车占57%，紧凑型车占32%，换句话说，中型及以上的高级车只占比近一成，这与燃油车的各级销售占比大为不同。追根溯源，主要原因是当前的三元电池技术，受到电池能量密度的制约，并太不适合打造中大型车。同时，小型车在本身尺寸不大的前提下，由于没有足够大的空间安装电池，很难跳出“小尺寸车，乘坐空间小，续航低”的魔咒，使用体验极为不理想。反观固态电池，其自身拥有高能量密度（轻量化）、小体积的优势特点，代表着应用该技术的新一代车型将拥有更长的续航、更低的车型能耗、更好的空间体验，并且还支持快速充电，同时更加安全，这一切都将在很大程度上缓解消费者对电动车最担心的里程焦虑问题，打消其对购买电动车的顾虑。同时，对车企来讲，由于摆脱了目前电池低能量密度带来的电池包质量高、占空间大的短板，也肯定会使得更多企业投入中大型级别的高级电动车，其产品可行性更具使用价值。而小型车及紧凑级车型，在突破了电池包重量、空间上的界限后，也有望能在新的车型架构之下，商品性得到大幅提升，并落地一些创新性的设计和使用方案。比如概念车天际ME-S、蔚来EVE等，虽目前无法量产，但其内部的空间布局理念已经极大超越了当下在售车辆的设计限制，譬如环绕式的座椅布局、可旋转的前排座椅、可多方向移动的灵活座椅、可实现仰躺的后排座椅等都值得借鉴，这些提供类似家居化、客厅级空间体验的设计，均可以在固态电池时代到来时落地，真正让消费者“将汽车变为移动的生活空间”的愿景变为现实。●总结概括来看，预计到2021年左右，固态电池在中国才会真正落地应用，当下这个趋势已经十分明晰。而在固态电池普及应用之前，车企若能把握这个机会，无疑能在消费者心中率先建立良好的产品技术认知，并与现有传统电动车型形成差异化形象，在宣传上先声夺人，最终达到抢占更多市场份额的战略目的。同时，在汽车行业中，新技术的应用一般都是从高级车，逐步普及到中低级车中，从高端品牌，逐步普及到中低端品牌。但就目前来看，国内市场中的豪华、合资品牌对固态电池技术的布局相对滞后，这无疑给众多谋求提升品牌的中国车企敞开了一扇窗。是选择保守的稳健型路线，等到2025年技术成熟后再投入应用，还是选择急流勇进，加快技术落地？相信广大消费者更希望车企选择后者。（文/汽车之家行业评论员 车庸）
来源：汽车之家
特斯拉电池野心
作者 | 李欢欢编辑 | 梁辰“如果我是外部投资者，会高度关注特斯拉扩大电池生产规模、降低单位电池成本的规划。”今年6月的特斯拉股东大会上，当马斯克说这句话的时候，特斯拉早已拉开电池扩张计划。在与松下合作了年产能已经达到24GWh的特斯拉1号超级工厂之后，今年2月，特斯拉再度收购超级电容器制造商Maxwell的79%股权，默默储备电池技术。扩张还在继续。10月8日，外媒报道称，特斯拉向加拿大有关部门递交的一份备案材料，在这份材料中特斯拉将加拿大电池制造设备和工程技术公司海霸（Hibar）列入自己的子公司。这意味着特斯拉已经将这家加拿大电池制造商收入囊中。据了解，海霸在北美、欧洲、韩国、日本、马来西亚和中国等地建有大型生产工厂，尽管尚不清楚此次收购标底价，以及特斯拉将如何利用海霸资源，但其电池产能无疑将因此提升至一个新的高度。业内分析认为，完成此项收购后，特斯拉或许将开启电池自造之旅。作为新造车势力独一无二的巨头，成立十多年的特斯拉至今还深陷年度亏损的泥潭，但在与电池巨头松下的合作期，它为何还执意重资产运营电池业务？这背后或许有特斯拉自身扩张的需求、有来自同行竞争的逼迫，也或许，是特斯拉谋划新能源王国的必经之路。扩张需求野心或许是马斯克与生俱来的特质。2019年4月，马斯克宣布特斯拉可能将在2020年推出续航超“百万英里”的新型电池。尽管此言引来不少嘲讽，但是几个月后，与特斯拉合作的达尔豪斯大学研究人员证明马斯克并没有吹牛。上述研究人员发布的一项研究报告显示，新型锂离子电池可以使电动汽车续航里程达到100万英里，相当于充一次电可以跑1000公里。这近乎将现在市面上在售车型的最高续航水平翻一番。已经成为全球电动汽车冠军的特斯拉，可能电池也要做到世界第一。暗中，特斯拉早有布局。早在2014年7月，特斯拉与松下签署了超级工厂协议，合作生产锂电池。2019年2月5日，特斯拉宣布收购超级电容器制造商Maxwell的79%股权。据悉，Maxwell新的锂离子电极技术可使电池能量密度超过300Wh/kg，甚至是500Wh/kg，并且，这一数字以2-3年为一个周期再提升15%-25%，同时，电池成本将降低10%-20%。增加电动汽车的续航里程同时降低电池成本。这是特斯拉收购Maxwell的最大原因。近日，有内部员工证实，特斯拉已经着手整合Maxwell的超级电容业务。将Maxwell收入麾下，特斯拉默默储备着自己的电池技术。2019年9月，特斯拉发布了一条招聘信息，“为正在开发的一条生产线寻找技术人员”，具体职位为电池制造技术师、分析师及测试人员，工作地点是美国加州的弗里蒙特和科罗拉多州。分析人士从中敏锐地解读出一个重要信息：特斯拉正在弗里蒙特工厂搭建全新的电池生产线，这进一步显露其自产动力电池的决心。特斯拉为什么执着于自己制造电池？2019年4月13日，特斯拉CEO马斯克曾发表推文称：“超级工厂内的松下电池生产线每年产量仅为24GWh，从去年7月开始就已经限制了Model 3的产量。”根据特斯拉公布的2018年全年销量数据：去年共交付24.5万辆，其中有14. 6万辆Model3和9.9万辆Model S及Model X。这大约是超级工厂电池产能全力以赴达成的结果。2019年，特斯拉的交付目标为36万辆至40万辆。前不久，特斯拉甚至宣布将大幅超越这一计划。按照40万辆计算，特斯拉的交付目标比去年提升超过60%，而按照超级工厂当前的生产水平，产能最多只能再增长40%左右（马斯克曾表示超级工厂理论产能为35GWh），显然已无法满足特斯拉的扩张需求。在今年的投资者大会上，马斯克还透露，特斯拉将在今年年底召开电池&动力总成投资者日。届时，特斯拉在电池领域的规划或许将更加清晰。巨头逐鹿除了满足自己的产能需求，当然也有同行竞争的压力。其实在特斯拉之前，已经有一大批传统车企进入电池制造领域。最新消息显示，LG化学正在与通用汽车共同推进建立新能源汽车电池的合资企业。通用还将在美国打造一个电池生产基地。奔驰在欧洲、亚洲、北美洲拥有或在建9家电池工厂，其在北京投建的电池工厂可能于今年底建成投产。大众汽车则与瑞典电池企业Northvolt计划合资建立电池工厂。该工厂位于德国，预计2024年投产，初期产能为16GWh，大众计划为此投资9亿欧元。不仅国际知名汽车厂商纷纷布局电池制造，国内车企也有所动作。最为典型的是比亚迪。目前比亚迪在国内拥有3个电池工厂，分别位于惠州、深圳和青海，总产能大约为28GWh。2019年2月22日，重庆比亚迪新能源汽车电池生产基地正式开工，预计年内建成投产，届时，比亚迪将新增20GWh电池产能。此外，比亚迪西安电池工厂也在规划中，到2020年，比亚迪规划动力电池产能将达到60GWh。比亚迪董事长王传福在接受彭博社采访时曾透露，电池业务将于2020年之前上市，以筹集资金加速向电气化转型。类似比亚迪这样独立搭建电池生产基地的还有吉利汽车。吉利在宁波和金华拥有两家电池工厂，其在荆州投建的电池工厂将于明年建成投产。此外，北汽、上汽、长安、宝马、奔驰等车企均在国内、海外自建或合建有电池工厂。高工产业研究院院长罗焕塔透露，大概有80%的自主车企有建立电池工厂的计划。车企纷纷涌向电池制造板块，第一大好处自然是降低成本。要知道，动力电池是纯电动汽车的核心零部件，大约占整车成本的40%。如果能在电池环节自给自足，造车成本将大幅降低。自产电池还可以保证电池供应、不受限于单一技术路线、提升电池性能等。自产电池划算吗？优势显而易见，风险也不一而足。如果新能源汽车市场不如设想中乐观，或者市场竞争激烈，整车销量难以保证，那么电池业务势必受到影响。高工产业研究院发布的《动力电池字段数据库》统计显示，2018年我国新能源汽车动力电池装机总电量约56.98GWh，同比增长56%。而中国电动汽车百人会发布的《锂电池产业发展白皮书（2018）》显示，到2018年底，中国主要企业锂电池产能预计达到大约为180GWh，超出全年电池装机量2倍多。很显然，电池领域产能已经过剩。花费大量资金、人力投建工厂，重资产运行电池项目，还要应对产能过剩的风险，对于车企来说真的划算吗？2018年8月，日产汽车正式宣布其电动汽车电池制造部门出售给远景集团，其中，日产保留25%的股份。对此，日产方面表示，未来将更专注于研发电动汽车。在电气化道路已经先行的日产或许认为，电池生产还是交给第三方更加划算。全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树认为，是否划算主要看车企的销售体量。2018年特斯拉以24.5万辆成绩夺得全球电动汽车销量冠军，市场占有率达12%，已经成为电池需求量最大的汽车制造商。“他们自己制造电池，当然是划算的。”比亚迪销售规模与特斯拉差不多，2018年全年销量落后特斯拉不足2万辆，市场占有率11%。并且，比亚迪有意向其他车企供应电池资源，自然也不会做亏本生意。但是，对于其他尚未形成规模效应的车企来说，就不得不算一笔账了。
来源：未来汽车日报
未来可期的固态电池
10月9日，诺贝尔化学奖授予了三位锂电池发明者——美国科学家约翰•古迪纳夫，美国科学家斯坦利•威廷汉以及日本科学家吉野彰。其中，被称为“锂电池之父”、现年97岁的古迪纳夫近期研究的重点是锂电池的前沿领域——固态电池。随着科学的进步，液态锂电池的安全性已经不能满足人们对于锂电池的需求，科学家们正在研究更加安全和更高效的固态电池。其实，在这之前，关于固态电池的消息也是不断：9月20日，爱驰汽车与辉能科技达成合作协议，双方将共同开展固态电池作为车载动力电池相关技术的开发与应用，推进动力固态电池商业化落地。澳大利亚联邦科学与工业研究组织近日宣布，将与日本化学品制造商Piotrek合作开发高能固态锂电池，计划在未来5年内面向全球市场推出，用于电子设备、无人机和电动汽车等领域。日前，雷诺汽车高级副总裁吉尔斯·诺曼德对外表示，到2025年，雷诺旗下电动汽车可能会使用钴含量为零的固态电池。有消息曝出，哪吒汽车与清陶新能源科技有限公司达成了全面深度合作，二者将共同推进固态电池的研发与应用，并加快在新能源车型上的商业化落地。众多企业的纷纷布局，让固态电池成为市场上的宠儿。那固态电池受追捧的原因是什么呢？安全，还是安全！我们都知道，动力电池被称为电动汽车的“心脏”。而锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、循环效率高等优点，在新能源市场上颇受欢迎。但是，目前的锂离子电池技术尚未成熟，安全性不稳定，电动汽车电池起火、爆炸事故不断。其实事故频发的很大原因是电池内部使用了液态电解质。专家认为，用固态电解质代替液态电解液，是能够提升锂电池安全性能的有效方法之一。原因是固态电解质不易燃，且不会产生液态电解液，可以解决电池的安全性问题，是最有可能成为下一代动力电池的技术路线。固态电池使用固体电极和固体电解质，不仅可以有效地减少体积和质量，同时提升锂电池的能量密度，能够很好地解决当前三元锂电池高安全和高能量密度这一矛盾，或许会成为动力电池技术未来发展的重要方向。固态电池的原理是：固态电解质所具有的密度及结构可以让更多带电离子聚集在一端，以传导更大的电流，进而提升电池容量。这样，同样的电量，固态电池体积更小。此外，由于没有电解液，固态电池的成本低、重量轻。因为符合未来电池发展的趋势，目前，众多国内外车企业和电池厂商，都在加大固态电池布局。最有可能抢占下一个先机业内对于固态电池将成为未来电池的发展方向已达成共识，国内外企业都在加大固态电池的研发速度，希望抢占市场先机，由此也带来了行业上的竞争。据外媒报道，韩国研究人员研发出一种技术，可以制成用于电动汽车的全固态二次电池。他们使用锂、镧、锆和氧材料，制成了高强度的复合电解质片。此类电池结构可以大大减小电池组的体积,同时消除电池爆炸或起火的风险，即使在空气中使用剪刀切割该电池，该电池也不会起火或爆炸。由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）牵头投资100亿日元，丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。国内方面，中科院青岛能源所储能院崔光磊团队长期从事复合聚合物固态电解质研究，目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统，能量密度达300Wh/kg，并且在马里亚纳海沟完成1万米的高压环境下完成深海测试。中科院宁波材料所许晓雄团队从事氧化物与硫化物固体电解质研究，已经开发出能量密度达到260Wh/Kg的10Ah固态单体电池。借助宁波材料所的技术，江西赣锋锂业在宁波当地投资5亿元人民币筹建亿瓦时固态动力锂电池生产线。第一代固态锂电池技术通过中汽研汽车检验中心检验，放电容量约13Ah，能量密度约245Wh/Kg，循环1000次后容量保持率大于90%。此外，包括宁德时代、国轩高科在内的锂电巨头也都有涉猎固态电池的布局、研发。未来虽已来 但瓶颈仍存尽管现在的固态电池技术已经取得很大的突破，但离商业化还有很长一段路要走，一些技术瓶颈还需要多方一起努力去突破。固态电池最大的技术瓶颈是固体电解质离子电导率低。电解质可为锂离子在正负极之间搭建传输通道以实现电池内部电流的导通，决定锂离子运输顺畅情况的指标被称为离子电导率。离子电导率的高低直接影响了电池的整体阻抗和倍率性能，一般聚合物固体电解质的电导率都比较低。界面阻抗大也是制约固态锂电池循环性能的一大难题。目前固体电解质与固体电极之间的界面接触阻抗值是电解质本体阻抗的10倍以上，严重影响了离子的传输，导致电池的循环寿命、倍率性能差。此外，大部分无机固体电解质属于陶瓷电解质，机械性能相对较差等也是固态电池需要解决的问题。后记：固态电池的发展，要经过半固态-准固态-全固态电池的过程，成本等问题也有待攻克。有专家认为，固态电池真正实现小规模量产预计在2020年以后，大规模应用需要更长的时间。但不可否认的是，固态电池已经迈出产业化的步伐，未来可期！
来源：电池联盟
最高龄诺贝尔奖得主诞生！97岁“锂电池之父”传奇人生再添荣耀
如果不是相关领域的人，科学家的名字往往没那么好记住，但是 John B. Goodenough 是个例外：他的姓氏 Goodenough 好见但直白，这就是一个把自己的人生和人类的命运都弄得足够好的人。众望所归！北京时间 10 月 9 日下午 5 点 50 分左右，2019 诺贝尔化学学奖评选结果揭晓——诺贝尔委员会宣布，将此奖项颁发给约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·威廷汉和吉野彰，以表彰他们在电池领域的重要创新。特别值得一提的是，近几年的化学奖颁布期间，有一位科学家受到了广泛的关注，他就是现已97岁的“锂电池之父”——John B. Goodenough。许多人都期待这位在推动电池发展上有着重要贡献且年事已高的科学家能够得到诺奖的青睐，如若Goodenough成为获奖者，他也将打破现有的历史记录，成为最高龄的一届得主。该记录由去年的诺贝尔物理学奖得主阿瑟·阿什金保持，他在去年获奖时已经96岁。现在，他终于得到了诺奖的认可！John B. Goodenough德克萨斯大学奥斯汀分校主要贡献：因其开发的锂离子可充电电池以及发现古迪纳夫-金森法则用于确定超交换（superexchange）材料磁性符号而受到广泛关注。主要生平：著名固体物理学家，钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，锂离子电池的奠基人之一，通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。他在 1922 年 7 月 25 日出生于德国，1944 年在耶鲁大学获得数学学士学位，在二战后完成博士学位，1952 年毕业于芝加哥大学。他早期在曾麻省理工学院林肯实验室进行随机存取存储器（RAM）开发研究。20 世纪 70 年代末到 80 年代初担任牛津大学无机化学实验室主任，并开发出锂离子可充电电池的首选阴极材料钴酸锂。自 1986 年以来，Goodenough 一直担任美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和机电工程教授，并继续研究离子导电固体和电化学装置。重大荣誉：Goodenough 教授是美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院和西班牙皇家学会的院士成员。Goodenough 还是 2009 年恩里科·费米奖（Enrico Fermi Award）的共同获得者。在 2010 年当选为英国皇家学会外籍院士。在 2013 年，Goodenough 获得美国国家科学奖章。97岁“锂电池之父”的传奇人生，一手缔造便携能源帝国如果不是相关领域的人，科学家的名字往往没那么好记住，但是 John B. Goodenough 是个例外：他的姓氏 Goodenough 好见但直白，这就是一个把自己的人生和人类的命运都弄得足够好的人。Goodenough 是公认的“锂电池之父”，正是他所领导的创新使锂电池迈向体积更小、容积更大、使用方式更稳定的商业化过程，同时开启了电子设备便携化的革命。锂电池作为最主要的便携式能量源，影响着我们生活的方方面面。如果没有锂电池，就不会有如今的便携式穿戴设备。锂电池产业已经接近年产几十亿美元，为人类的日常活动提供动力。锂电池还曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明，而晶体管的发明人巴丁已经荣获诺贝尔奖。索尼在 1991 年采用 Goodenough 理论后，制作出了世界上第一款商用锂电池，从此手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等领域各自步入了便携式新能源时代。早期的锂电池用金属锂作为电极材料，在电池使用过程中极易发生燃烧和爆炸，因此无法被广泛使用。为解决这一问题，Goodenough 提出锂离子嵌入、脱出的工作机制，以钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂替代金属锂作为稳定的电极材料，既解决了电池的安全性问题，又降低了电池的制造成本，实现了锂离子电池技术的革命性突破，极大地推动了这一技术其他领域的广泛应用。作出这样的贡献，他的一生也是一部传奇。他毕生都在为让人类摆脱化石燃料而奋斗，但在取得了这些改变了人类进程的“足够好”的研究成果之前，他自己的人生并不够好。1946 年，23 岁的退伍士兵 Goodenough 带着科研梦想进入了芝加哥大学，但是在那里一位教授告诉他，他的年龄太大了，很难在这一行取得成功。这位教授说的其实没错，因为 7 年后 Goodenough 博士毕业，初入科研时已经 30 岁了，而 30-40 岁应当是一个正常学者的科研巅峰时期，他至少落后了 3 年。但是年轻气盛的 Goodenough 并没有听从这位教授的建议。制作电池需要选择合适的电极材料和电解质材料，以提高电池容量和充放电速度，60 年来不可充电的锌碳电池一直占据着消费电池的主要市场。1976 年，53 岁的Goodenough 进入牛津大学教授化学，同年英国化学家 Stan Whittingham 宣布了他在锂电池方面取得的重大突破。Whittingham 的发现虽然是电池产业的一次飞跃，但是他的锂电池却在过充的时候极易发生爆炸，依然不可商用。Goodenough 认为自己可以改善这个缺点。1980 年，Goodenough 抵达牛津四年后，他终于采用钴酸锂获得突破。新电池拥有更小的体积，更大的容量和更加稳定的使用方式。如今，Goodenough 已经 97 岁高龄，还依然每天往返于实验室，奋斗在科研第一线。90 多岁的高龄时，他周一到周五每天早上七点都会在办公室开始工作，周六周日再在家工作一天半。去年他和他的团队还在固态电池上取得了新的重要进展。他认为，他还需要最后一个重大发明才能无愧于自己——制造出可以使电动汽车代替汽油车的高容量电池。这些年来，让人多少有些惋惜的是，他年年都是诺贝尔化学奖的“陪跑者”。Goodenough 的传奇人生似乎并没有影响到诺贝尔委员会的评价。每年Goodenough 都是诺贝尔化学奖的热门候选人，但是他依旧年年陪跑，堪称化学界的“村上春树”。甚至在 2017 年，一封名为“Open Letter：John Goodenough Deserves A Nobel Prize”公开在 CleanTechnica 网站上，希望诺贝尔委员会能够授予 Goodenough 诺贝尔化学奖。这项很多人参与的请愿运动不出意外地没有回音。而锂电池领域距离上一次突破，已经 20 多年了。这期间无数研究人员奋力研发着新电池，他认为自己只是这个队伍中的普通一员。正如 Goodenough 在其 92 岁的时候曾说，我才 92 岁，我的人生长着呢！图丨2013年，古迪纳夫获得美国国家科学奖章（图片来源：Alcalde）
来源：DeepTech深科技
详解2019诺贝尔化学奖：他们发明了世界最强大的电池
北京时间10月9日消息，瑞典皇家科学院决定将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫（John B。 Goodenough）、斯坦利·威廷汉（M。 Stanley Whittingham）和吉野彰，以表彰他们对锂离子电池的研究。这种可充电电池为手机和笔记本电脑等无线电子产品奠定了基础，还使一个无化石燃料的世界成为可能。从为电动汽车提供动力，到储存可再生能源，锂离子电池展现出了广泛的用途。引言电能为我们的生活提供了能量，无论何时何地，我们都需要电能。如今，即使附近没有电源插座，我们也可以十分方便、高效地获取电能。我们的移动方式越来越无拘无束，对电线的依赖也越来越少，可以在一个可能更健康的环境中享受高机动性。这一令人瞩目的发展是由高效的储能设备实现的。高容量电池使各种电动工具和车辆成为可能。原则上，我们都可以便捷地使用手机、相机、笔记本电脑、电动工具等，依靠高效的电池为它们提供动力。随着现代电池技术的发展，电动汽车也越来越受欢迎。我们正处在摆脱化石燃料汽车的时代。此外，有效的能源储存是对不稳定的能源（如风能和太阳能）的重要补充。有了电池，供需链可以随着时间的推移而平衡，即使在没有能源产出的情况下也是如此。在很大程度上，锂离子电池使这些发展成为可能。这种电池彻底改变了能量存储技术，并促成了移动革命的实现。通过锂离子电池的高电势，高能量密度和高容量，这种电池类型为改善我们的生活做出了巨大贡献，并将在未来几年继续发挥作用。然而，总体而言，电池的发展非常艰巨且具有挑战性，尤其是锂电池。自1800年亚历山德罗·伏特提出他著名的“电池堆”以来，无数的科学家和工程师为电池的开发投入了巨大的努力。从基本结构上，电池的工作原理是相对简单的。电池由两个电极组成，每个电极连接到一个电路，电解液可以容纳带电的物质。通常情况下，电极之间被一种隔离材料隔开，这种隔离材料可以防止电极之间的物理接触，从而避免电池短路。在放电模式下，当电池驱动电流时，负极（阳极）发生氧化过程，导致电子从电极流出并穿过电路。在正极（阴极）会发生一个互补的还原过程，从电路中获得电子。电池电压很大程度上取决于电极的电势差，整个过程是自发的。对于可充电电池，这一过程可以逆转，外加电流可作用于电极，产生互补的氧化还原反应。这个过程是非自发的，需要能量输入。许多在学术界、工业界甚至是独立工作的科学家和工程师都为电池的发展做出了贡献，他们也深深理解开发高效电池是一项非常困难的任务。因此，电池发展相对缓慢，只有极少数有效的电池配置在设计成功后应用多年。例如，我们仍然依赖于19世纪中期发明的铅酸电池。尽管如此，通过一系列突破性的多学科科学发现，包括电化学、有机和无机化学、材料科学等，研究人员解决了诸多挑战，终于锂离子电池成为现实，从根本上改变了我们的世界。背景一种元素很少在戏剧中扮演核心角色，但2019年诺贝尔化学奖的故事中，有一个明确的主角：锂。这是一种在大爆炸的最初几分钟内产生的古老元素。1817年，当瑞典化学家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius从斯德哥尔摩群岛乌托矿（Ut Mine）的矿物样本中提纯出这种物质时，人类才知道它的存在。Berzelius将这种新元素命名为“lithos”，这个词在希腊语中意思是“石头”。尽管名字很厚重，但它却是最轻的固体元素。这也正是我们有时几乎不会注意到手机的原因。更确切地说，瑞典化学家实际上并没有发现纯金属锂，而是发现了一种盐形式的锂离子。纯锂引发了许多火灾警报，尤其是在我们将要讲述的故事中；这是一种不稳定的元素，必须储存在石油中，这样才不会与空气发生反应。锂是一种金属，其外电子层只有一个电子，因此有很强的动力把这个电子留给另一个原子。当这种情况发生时，就会形成一个更稳定的带正电荷锂离子。锂的弱点是反应性，但这也是它的优点。20世纪70年代初， 斯坦利·威廷汉开发了第一块功能齐全的锂电池，他利用了锂释放其外层电子强大驱动力。1980年，古迪纳夫将电池的电势提高了一倍，为开发更强大、更实用的电池创造了合适的条件。1985年，吉野彰成功地从电池中去除了纯锂，而是完全基于锂离子，因为锂离子比纯锂更安全。这使得锂电池成为了实际可行的电池。锂离子电池给人类带来了巨大的好处，使笔记本电脑、手机、电动汽车以及太阳能和风能的储存成为可能。我们将回到50年前，回到锂离子电池最初的时代。石油阴霾使电池研究重获新生最初的可充电电池的电极中含有固体物质，当它们与电解液发生化学反应时就会分解。这一过程会损毁电池。斯坦利·威廷汉的锂电池的优点是，锂离子储存在阴极的二硫化钛空间中。当电池使用时，锂离子会从阳极的锂流向阴极的二硫化钛；而当电池充电时，锂离子又会回流。20世纪中期，世界上使用汽油的汽车数量显著增加，汽车排放的废气使大城市里的有害雾霾更加严重。与此同时，人们日益认识到石油是一种有限资源。这一切都为汽车制造商和石油公司敲响了警钟。如果他们的企业要生存下去，就需要投资电动汽车和替代能源。电动汽车和替代能源都需要强大的电池来储存大量的能量。实际上，当时市场上只有两种类型的可充电电池：早在1859年发明的铅酸电池（目前仍然用作燃油汽车的启动电池）和20世纪上半叶发明的镍镉电池。石油公司投资新技术面临石油枯竭的威胁，石油巨头埃克森（Exxon）决定将其业务多样化。在一项基础研究的重大投资中，埃克森公司招募了当时在能源领域最重要的一些研究人员，让他们可以自由地做几乎任何想做的事情，只要不涉及石油。当以纯锂为阳极的电池充电时，会导致锂枝晶的形成。这些锂枝晶会使电池短路，引起火灾甚至爆炸。斯坦利·威廷汉是1972年加入埃克森公司的科学家之一。他来自斯坦福大学，从事某些固体材料的研究。这些材料中具有原子大小的空间，可以让带电离子附着在上面。这种现象称为嵌入（intercalation）。当离子在材料内部被捕获时，材料的性质就会改变。在埃克森，斯坦利·威廷汉和同事开始研究超导材料，包括可以嵌入离子的二硫化钽。他们在二硫化钽中加入离子，并研究其电导率会受何影响。威廷汉发现了一种能量密度极高的物质就像科学上经常发生的情况一样，这个实验带来了一个意想不到的发现。原来钾离子会影响了二硫化钽的电导率。当斯坦利·威廷汉开始详细研究这种材料时，他观察到它有非常高的能量密度。也就是说，钾离子和二硫化钽之间的相互作用具有惊人的能量。当威廷汉测量这种材料的电压时，发现可达好几伏，这比当时的电池好多了。斯坦利·威廷汉很快意识到是时候改变方向了，他转向了能为未来的电动汽车储存能量的新技术。然而，钽是一种比较重的元素，而市场上不需要装载更重的电池。因此，他用钛代替了钽，钛的性质与钽相似，但重量轻得多。作为负极的锂古迪纳夫开始在锂电池的阴极中使用钴氧化物。这几乎使电池的电势翻了一番，使其更加强大。于是，在锂离子电池的故事中，锂开始占据最重要的位置。作为斯坦利·威廷汉的新电池的负极，锂并不是一个随机的选择。在电池中，电子应该从负极（阳极）流向正极（阴极）。因此，负极应该使用一种很容易失去电子的材料，而在所有的元素中，锂是最愿意释放电子的元素。这么做的结果就是，斯坦利·威廷汉开发出了一种可在室温下工作的可充电锂电池，它具有很大的电势，也具有巨大的潜力。他前往埃克森位于纽约的总部，就该项目进行了讨论。会议持续了大约15分钟，管理团队随后迅速做出决定：他们将利用斯坦利·威廷汉的发现开发一种具有商业可行性的电池。电池爆炸和油价下跌不幸的是，准备开始生产电池的小组遇到了一些困难。随着新的锂电池被反复充电，在锂电极上开始出现薄层的锂物质。当它们抵达另一个电极时，电池就会出现短路并引发爆炸。消防队不得不多次出动扑灭火灾，他们威胁要实验室支付用于扑灭这些锂电池大火所消耗的特殊化学物质的费用。为了让电池更加安全，在金属锂电极中加入了铝，两个电极之间的电解液也进行了更换。斯坦利·威廷汉在1976年宣布了自己的发现，随后电池开始为一家瑞士钟表商进行小规模生产，并计划将其用于太阳能驱动的钟表当中。下一步的目标是扩充电池的容量，以便使其能够为汽车充电。但是在1980年代初，石油价格突然出现显著下降，埃克森公司需要削减成本。于是相关研究工作被停了下来，威廷汉所发明的技术被授权给了世界三个不同地区的三家不同的公司。但这并非意味着研究工作的终结。当埃克森公司放弃相关工作之后，约翰·古迪纳夫接手了。吉野彰研制出了第一款可商用锂离子电池。他在阴极使用了古迪纳夫的锂-钴氧化物，并在阳极使用了一种名为石油焦的碳基材料，该材料中也可以插入锂离子。这款电池在发挥功能时，并不会发生破坏自身的化学反应。相反，锂离子可以在电极之间来回流动，使电池寿命大大延长石油危机让古迪纳夫开始对电池技术感兴趣还是一个孩子时，古迪纳夫在阅读方面存在明显障碍，这也是为何他会被数学吸引，并最终，在二战结束之后，开始研究物理学的原因之一。他在美国麻省理工学院林肯实验室工作多年。在此期间，他对随机存储器（RAM）的研究做出了贡献，时至今日RAM依旧是我们计算机中不可或缺的部件。古迪纳夫和上世纪1970年代的许多人一样，都深深受到了石油危机的影响，于是他希望能够为能源的替代选择做出贡献。然而，林肯实验室是由美国空军资助的，并不允许从事这类研究。因此，当他被提供一个在英国牛津大学担任无机化学教授的机会时，他抓住了机会并最终一头扎进了重要的能源研究领域之中。当锂离子与氧化钴结合时所产生的高电压古迪纳夫知道威廷汉发明的革命性的新电池技术，但他对于物质内部结构的专业知识告诉他，如果电池的阴极用金属氧化物，而不是金属硫化物来制作，那么阴极的电势将可以更高一些。于是他的研究组的几位成员被交代了一项任务，寻找合适的金属氧化物，其应当可以在锂离子作用下可以产生比较高的电压，并且当这些离子被去除时也不会出现问题。这一系统性搜寻的结果要比古迪纳夫原先设想的高得多。威廷汉的电池可以产生略多于2伏特的电压，但古迪纳夫发现，在阴极中使用钴酸锂材料的电池产生的电压将可以提升两倍，达到4伏特。在这其中的一项关键性发现是，古迪纳夫意识到，电池并不需要保持在充电状态下才能生产，而在此之前一直就是这样做的。相反，它们可以在被制造出来之后再充电。在1980年，他对外公布了这项全新的，高能量密度的阴极材料。尽管它分量很轻，却同样可以制造出性能强劲的电池。这是人类进入移动时代的关键一步。日本公司迫切渴望轻质电池用于新型电子产品供电然而，在西方，随着石油价格下探，对于寻找替代能源，以及开发不使用石油的电动车的投资热情开始出现下降。但是在日本，情况就完全不同。电子公司拼了命想要得到一种轻质，且可反复充电的电池，用于为他们的便携式摄像机，无线电话机和计算机供电。其中一个看到了这种巨大需求的人，便是日本旭化成株式会社的吉野彰。正如他自己所言的那样：“这就像嗅出趋势的大方向。你可以说，我这方面的嗅觉比较灵敏。”吉野彰开发了第一个可商用锂离子电池当吉野彰决定开发一种功能性可充电电池时，他选择了古迪纳夫的钴酸锂作为阴极，并尝试使用各种碳基材料作为阳极。此前研究人员已经证明，锂离子可以插入到石墨的分子层中，但是石墨会被电池的电解液分解。当吉野彰尝试使用石油焦（石油工业的副产品）时，他终于找到了灵感。他用电子给石油焦充电，发现锂离子被吸进了材料中。然后，当他打开电池时，电子和锂离子流向阴极的钴酸锂，而钴酸锂的电势要高得多。吉野彰开发的电池具有工作稳定、重量轻、容量大的优点，能产生4伏的电压。锂离子电池最大的优点是离子能嵌入到电极上。其他大多数电池都是基于化学反应，而在化学反应中，电极会缓慢而稳定地改变。当锂离子电池充电或放电时，离子在电极之间流动，不与周围环境发生反应。这意味着电池的寿命更长，在充电数百次后性能才会下降。另外一个巨大的优势在于，电池中不含有纯的锂。在1986年，当吉野彰在对电池的安全性进行测试时，他非常小心谨慎，甚至将检测工作放在一间专门用于爆炸物检验的房间内进行。他向电池投掷一大块铁，但是什么也没有发生。然而，当使用含有纯锂的电池进行重复试验时，电池发生了剧烈爆炸。通过安全性测试对于这款电池的未来前景极为关键。正如吉野彰所言的那样：这一刻，标志着锂电池正式诞生了。锂离子电池——在无需化石燃料的社会中不可或缺1991年，一家大型日本企业率先开始销售锂离子电池，在电子业引发了一场革命。手机体积得以缩小，电脑开始走向便携，MP3音乐播放器和平板电脑也逐渐问世。在此之后，全世界的研究人员顺着元素周期表展开了依次搜索，试图研制出性能更优良的电池，但没有一种电池能在电池容量和电压上打败锂离子电池。不过，锂离子电池近年来也一直在革新和改进。例如，古迪纳夫将其中的氧化钴换成了磷酸铁，使电池变得更加环保。就像几乎所有人类生产活动一样，锂离子电池的生产也对环境造成了一定影响，但也为环境带来了巨大的益处。有了锂离子电池，研究人员得以发明更清洁的能源技术和电动汽车，从而有力减少了温室气体和颗粒物的排放。古迪纳夫、斯坦利·威廷汉和吉野彰通过他们的研究工作，为一个无线、无需化石燃料的新型社会创造了适当条件，极大地造福了全人类。（叶子，任天，晨风，未名）
来源：新浪科技
