锂电池是什么样的 锂电池VS铅酸电池，谁是电池之王？锂电池的未来又在哪里？

锂电池VS铅酸电池，谁是电池之王？锂电池的未来又在哪里？

现在市面上汽车类的电池，一般分为锂电池和铅酸电池两类，但是在所有人看来，锂电池却比铅酸电池要好得多，这是为什么呢？

咱们钟爱的锂电池，到底比铅酸电池好在哪？锂电池环保高效的背后，又是怎样的原理？有传言说锂材料马上就要用完了，这是空穴来风还是确有其事，这一论调是谁提出来的，如果是真的，那么锂电池的未来在哪里？

锂电池有多重要？没有锂电池，我们的手机电脑或许将变成一堆废品。锂电池为什么好？因为它高效节能而且环保，是人类新能源发展的标杆，代表了人类未来能源的发展方向。

看完了这些，有朋友就提出意见了，这些我们都知道，都是空话，我们要听实际的。接下来，咱们就从三点来分析一下锂电池和铅酸电池的优劣对比。

第一点，先说体积和重量，这或许也是很多电动汽车主们关心的问题，毕竟谁也不想自己的车上时时刻刻搭载着一个大铁驼子。在这一方面，锂电池拥有着不小的优势。重量35KG的常规铅酸电池达到的容量，重量不到10KG的锂电池就可以做到。而且同等容量的锂电池，体积也只有铅酸电池的二分之一不到。在续航能力上，根据放电曲线，锂电池也要优于铅酸电池。在面对严寒的时候，铅酸电池已经败下阵来，续航能力在零下十度的环境中直接减少了一半，如果温度到了零下二十度，铅酸电池的续航能力直接归于零。但是锂电池却不一样，在这样的环境中，续航能力依旧不会受到太大影响。

第二点，使用寿命。锂电池的使用寿命要远远高于铅酸电池。铅酸电池的普遍寿命在1年左右，当然了这里的一年指的是大多数商家给我们保证的寿命，但是在锂电池上，商家给我们担保的寿命却基本都是三年打底。因为铅酸电池寿命太短所以商家只敢保一年，而锂电池因为寿命太长，哪怕商家含蓄一些，担保的时间都是铅酸电池的几倍。除了这些，在自放电率上，锂电池也要远远优于铅酸电池。亏电报废相信是很多电动车主们都头疼的问题，这点在铅酸电池的身上体现的是淋漓尽致，这主要是因为铅酸电池的自放电率很高，即使你不使用，它还是会自己偷偷放电，时间久了，电池就出问题了。但是相比之下，锂电池却几乎不会有这个问题。

第三点，也是咱们大家都熟知的环保问题。简单理解就是，铅酸电池当中的铅是重金属，对于环境的破坏更大，而锂电池对于环境的危害却小了很多。在低碳环保席卷全球的当下，哪一款产品更环保，对于环境的危害越小，往往就更有市场。

在这里有朋友提出了问题，锂电池的环保和高效是通过什么样的原理实现的呢？

锂电池分为锂金属电池和锂离子电池，咱们用得较多的是锂离子电池。以锂离子电池举例，简单地来说，其功能是通过锂离子在正负极之间的来回移动实现的。充电的时候，锂离子离开了正极，经过正负极之间的电解液，投入了负极的怀抱，关于这一过程，专业的来说叫脱嵌和嵌入。也正是因为锂离子的跑来跑去，锂电池又得到了另外的称呼——摇椅电池。

相比之下的锂金属电池就要逊色一些，因为是通过锂的氧化或者腐蚀来实现放电的，所以基本上就是个一次性产品，但却是高能量密度储存设备发展的一个方向。所以这二者都很强，当然了要说可循环环保的话还是要看锂离子电池。

看到这里，大家是不是觉得，既然锂电池如此优秀，那么在市场上肯定是碾压铅酸电池的吧？并不是，要是真的能碾压，现在市场上也就基本看不到铅酸电池了，究其原因有这么几条。第一点那就是价格问题，咱们在刚刚也说过了，锂电池的体积和重量都要小于铅酸电池，所以锂电池的制造难度就更高，于是价格也就更贵。

对于市场来说，产品的优劣是一方面，几个也是一方面。第二点，对于普通的电动车来说，铅酸电池就够用了，完全能够满足需要，所以相比之下价格较高的锂电池就显得不是那么出彩。并且因为锂电池比较娇贵，而且返修时间长，于是消费者的选择大都集中在价廉结实的铅酸电池上。

但是不管怎么说，锂电池才是未来新能源电池发展的方向，并且随着技术的进步，以上的这些问题都终将解决。

在这里有朋友提出了意见，既然你说锂电池是未来发展的方向，可是在开头的还是又说锂资源马上就用完了，这不是自相矛盾吗？

并不是，锂资源在未来的十年可能就被用完了，提出这一论调的可不是一般人，而是锂电池之父——斯坦利·惠廷汉姆，一位获得诺贝尔化学家的大人物。之所以锂资源将被耗尽是因为新能源产业的大量发展，导致锂的消耗加剧。这样严苛的环境也对锂电池的发展提出了更高的要求，概括来说自然是更先进，就是提高锂电池的能量，提升其能源密度。

而在锂电池的研究上，来自美国宾夕法尼亚州立大学的王朝阳，在这一方面取得了巨大的突破。他在电池和储能方面的研究以及材料的创新，为我们打开了另一扇大门。到目前，王朝阳和他的团队已经研究出了全气候电池、十分钟快充电池、硕安电池以及低成本的热调控磷酸铁锂电池，而这只是开始。

从王朝阳的研究当中，我们或许该思考这样一个问题，科学技术给我们带来的，究竟是什么，是更好的生活，还是人类整体层次的跃迁和进化？能源的应用到最后是一个怎样的状态？现在人类对于能源的应用以及自身目标的实现还要依靠外物，发电要靠火力、风力以及太阳能，出行要依靠火车飞机等工具，这是否是对于我们的制约？

如果有一天科技的发展让我们摆脱外物的依赖，依靠人体自身就能够实现各种能源的利用和释放，人体本身就成为了一块高能电池，那将是一个什么样的场景？或者这才是人类能源发展到最后的呈现方式。或许最大的能源就隐藏在人类的基因深处，只是我们从未发觉。

更好的锂电池什么样

作者：祁丽亚（北京大学博士、哈佛大学访问学者）

环保，节能，不限行，电费还便宜！尽管新能源汽车具备如此多的优点，但我们也常常看到，“高速上新能源车突然电量不足，无法坚持到下个服务区”“多车等待一个充电桩，排队4小时充电1小时”的新闻。“充电桩数量少”“充电时间长”“续航里程短”是新能源车主抱怨最多的三个点，也是长期制约新能源车发展的“三座大山”。如何翻越这“三座大山”，实现新能源车更广、更快、更好的普及呢？你一定想到了，电池！

西安新能源汽车产业“快马加鞭”。新华社记者刘潇摄

理想中，新能源汽车的电池至少得是这个样子：第一，它的容量得高，保证汽车跑得远；第二，它得充电快，保证等待时间短；第三，它的稳定性要强，保证上路更安全。如此，发展目标就很明确，就是要研发新一代“大容量”“高倍率”“长循环”的电池。

为了实现这样的目标，自1991年锂离子电池商业化以来，作为锂离子电池的核心组件，科学家们在锂离子电池的电极材料方面展开了大量的研究工作。

电池都有正负极，锂电池也不例外。无论正极材料还是负极材料，理想的电极材料都应该具备：良好的脱锂嵌锂可逆性、较高的质量比容量、平稳的氧化还原电位平台、较高的电子电导率、离子电导率与锂离子扩散系数和良好的稳定性等。正极材料与负极材料的区别在于锂离子嵌入的电位高低，嵌入电位较高者为正极材料，嵌入电位低的为负极材料。

锂离子电池的正极材料和负极材料的发展历程，也颇有故事。锂离子电池自90年代初由索尼公司首度商业化以来，经过二十几年的发展，已经发展出多种正极材料体系。最早商业化的正极材料是钴酸锂，它同时也是历史最久最成熟的锂离子电池正极材料，至今都有着非常广泛的应用。然而钴酸锂不是万能的，钴酸锂体系虽然能量密度高、比容量大，循环寿命和安全性较为可观，但是稳定性稍显不足，且在高电压工况条件下电池容量衰减较严重。

随后科研人员又开发出了锰酸锂体系，这虽然能够解决钴酸锂稳定性不足的问题，但是自身存在三价锰溶解的巨大缺陷，目前已经逐渐淡出了锂离子电池正极材料的舞台。磷酸铁锂体系由于锂离子脱嵌前后结构的稳定性、循环性好、锂离子循环后容量衰减缓慢、毒性低，从诞生之初就被认为是电动汽车电池最理想的正极材料，然而该体系的电子导电率较低，极大地影响了电池的整体性能。

由两种金属构成的正极材料无法很好地满足需求，科学家们又将目光投向了三元材料。三元材料镍钴锰酸锂是通过钴酸锂的掺杂制备而成，它的安全性比钴酸锂更高。三元材料在空气中易氧化形成不稳定的表面，出现结构缺陷和镍锂混排，使得材料内阻增加，电化学活性降低，产生晶间裂纹和微应变，形成额外的绝缘膜，增加材料阻抗，使三元材料性能下降。目前来看，三元材料的成熟商业化仍然有较长的路要走。

总体来看，锂电池的正极材料正朝着高比容量、高安全性、高循环效率的发展方向前进，传统材料尽管技术成熟，但是已经无法满足动力电池领域不断的需求，未来在正极材料领域会出现更多的突破性技术。

2022年7月，第28届中国兰州投资贸易洽谈会在甘肃省兰州市开幕。图为参展的新能源汽车。新华社记者张智敏摄

2 金属锂虽好却是“带刺的玫瑰”

锂电池的负极材料，同样是关键。它对于电池的首次循环效率、循环寿命、倍率性能和安全性能有着直接影响。第一代锂离子电池负极材料直接采用金属锂，但在充放电过程中容易产生枝晶。金属锂在长时间充放电后，表面就会长出枝晶。这就像光滑的平面突然长出千万根刺，可想而知这朵“带刺的玫瑰”最终可能会戳穿电池，造成短路，甚至引发爆炸。

第二代负极材料采用锂铝合金解决了金属锂产生枝晶的问题，但材料在循环过程中体积变化大，材料主体易粉化脱落，循环性不佳。第三代负极材料是釆用层状石墨碳材料，该材料在锂脱嵌过程中电位接近锂本身的电位，层状结构有利于锂的嵌入脱出，大大提高了锂离子电池的循环和安全性能。时至今日，大规模商业化的负极材料依然主要是石墨类碳材料和钛酸锂两大类。

尽管石墨类碳材料和钛酸锂在商业化方面比较成熟，但是这两类材料都有一个固有缺陷就是理论比容量都较低，这使得当前锂离子电池的能量密度还不能满足动力电池的更高要求。

因此，未来锂离子电池负极材料的发展可能会呈现“两条腿走路”的态势，一条是回归初心，重新选用金属锂作为负极材料，研究的重心集中于如何克服金属锂在长时间充放电过程中的枝晶问题；另一条路是针对目前对于高能量密度的紧迫需求，改善现有电池体系，有针对性地替换电极材料，并寻找可真正产业化、有应用前景的负极材料。

3 用铜房子隔绝金属锂的“刺”

经过大量的对比，我们团队最终锁定金属锂作为负极材料的研究重点，因为我们发现金属锂理论容量是目前商业化锂电池负极材料的10倍以上，而且它的导电性很好，是最为理想的负极材料之一。如果能妥善解决枝晶问题，那就离生产容量大，能快速充电的锂电池又近了一步。

如何解决枝晶问题呢？目前通用的解决办法之一是构建出三维铜集流体。金属锂负极需要用铜作为集流体，金属锂在长时间充放电后会长出枝晶，可能穿透隔膜造成短路甚至引起爆炸。研究表明，如果把平面铜做成三维铜，可减少绝对电流密度，从而抑制锂枝晶的生长；同时，三维结构的铜集流体可有效诱导锂沉积在基底内部，从而避免枝晶穿透隔膜。这就好像搭建一座铜房子，让“刺”在屋内生长，从而无法穿透房间。

可是问题又来了，直接构建这座房子不仅耗时耗力，而且成本很高，无法规模化生产。因此，这个研究仍止步于实验室，极大地限制了金属锂的商业化进程。因此如何能低成本、高效可重复性地制作出三维铜，是颇具挑战的研究课题。

我们尝试了多种方法，如水热法、气相沉积法等，但结果都不尽如人意。正当我们百思不得其解时，一个常见又有趣的现象引起了我们的关注。

在哈佛留学时，由于当地的波士顿龙虾非常有名，因此我经常买。蒸熟的龙虾呈现红色，但它的红色并非天生，而是由于高温使青黑色的龙虾变成了红色。正是这个再常见不过的现象让我突然想到：如果龙虾的红色不是天生而是后来转变的，那我们为什么要执着于直接制备红色的三维铜？如果我们可以让一种便宜的三维结构转化成铜呢？我们立即调整了研究方向：转化！与其从无到有直接搭建铜房子，不如先搭建一座便宜的布房子再粉刷上一层铜，使其变成红色的铜房子。点石成金无法实现，但点布成铜却具备可行性。

4 轻而薄的纸也可用来制作锂电池

在寻找的过程中，又一个有趣的小生物——贻贝进入了我们的视线。这种贝壳可分泌出一种黏性蛋白，这些黏性蛋白如同黏结剂一般使贻贝可以牢牢吸附在船底。对于船只而言，贻贝并不受欢迎，如果原本光滑的船底长满了贻贝则会使阻力大大增加，增加燃油消耗甚至对船底钢板也有腐蚀作用。

但这个让渔夫们无比头疼的小家伙，却给我们很大的启发，能不能模仿贻贝，来给金属锂建造一个表面牢牢吸附铜的“房子”呢？

自然界中贻贝分泌的黏性蛋白可牢牢吸附在几乎任何材料的表面。而贻贝黏蛋白的核心成分与多巴胺类似，因此可以使用多巴胺溶液来代替。将廉价易得的玻璃纤维布等，浸泡在多巴胺的溶液中，多巴胺能不能牢牢吸附在材料表面呢？

基于这样的想法，我们提出一种新颖的转化思路：在普通多孔材料表面包覆铜层，从而将基底材料变成三维铜骨架。整个过程分为聚多巴胺涂层的负载和铜单质的沉积两步。首先将基底材料浸泡于多巴胺溶液中，利用多巴胺的原位聚合，在材料表面负载聚多巴胺涂层；第二步利用聚多巴胺和铜离子的螯合作用，加入二甲胺硼烷加强还原作用，从而通过无电沉积成功将铜单质均匀包覆在纤维表面。

经过试验，白色的布房子果然变成了吸附多巴胺的黑色房子。再加入还原剂和铜离子溶液，反应24小时后，黑色的多巴胺房子真的变成了红色的铜房子。

材料表面最终变为红棕色，可直观证实铜单质的沉积成功。整个过程简单、高效、对环境无污染。

不仅如此，将玻璃纤维布换成其他更常见的材料，通过简单的浸泡，玻璃纤维、泡沫镍、聚碳酸酯滤膜、宣纸等常规无机及有机多孔材料都成功完成了三维储锂铜骨架的构建，也得到了令人满意的结果。这证实了方法的高效性，也极大拓宽了材料的可选择性。这意味着，这种转化方法不需要特别的化学试剂和仪器设备，就可将多种材料(无机、有机聚合物等)转换为三维储锂骨架。

制备好的新型电池进行电化学测试，循环600小时后库伦效率依然保持在94%，长周期循环性能显著提高。这种简单却具有普适性的方法可以将常见多孔材料转化成高效的储锂骨架，为构建三维集流体提供新的解决思路，大幅度降低电池成本。同时，三维储锂结构可有效调控锂离子沉积行为，从根本上调节锂金属成核和生长过程，有效抑制枝晶形成，推动锂金属负极二次电池的商业化。

基于此，我们在锂离子电池的能量密度、安全性和充放电速率方面取得了重大突破，并大幅度降低了电池生产成本，为新一代动力电池的设计和研发提供了合理可行的新思路。相关研究工作已经成功申请国际专利并在国际知名期刊发表多篇高水平论文。

可以想象，在不远的未来，我们有希望将手中轻而薄的纸，进行适当改性，也可用于制作大容量低成本的电池。

5 期望锂电池未来助力美好生活

在科技高速发展的今日，锂电池早已走进了千家万户，目前锂电池的应用领域主要集中于电动汽车、电子产品和航天等几大类。

在电动汽车领域，锂电池当前仍然是市场占比最高的首选能源，其清洁、零排放的优点在“双碳”政策下会进一步放大。随着技术的进步，目前锂离子电池电动汽车在里程、续航和安全性方面都有了较大的提高；电子产品领域是锂离子电池的传统优势领域，手机、数码相机、笔记本电脑的电池全都离不开锂离子电池。

随着充放电性能的不断提高，将使锂离子电池未来在电动工具领域的应用更加广泛。尽管在航天领域的应用大家不常听说，但实际上，早在2004年锂离子电池就被应用于火星着陆器和火星车中，目前航天领域中锂离子电池的应用主要在为发射、飞行校正、夜间操作等提供支持。

半个世纪的锂电池发展史波澜壮阔。时至今日，研究人员仍然在为研发更好的电池不断探索，期望锂电池未来能更好地为人类的美好生活助力。

《光明日报》（ 2022年07月21日16版）

来源： 光明网-《光明日报》

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