從馬車到蒸汽機，到內燃機再到電動機，幾百年的歷史進程中，世界驅動力的升級，讓城市運轉的節奏更快更強了，而汽車可以說是城市動力的親歷者和見證者。

不過，正如曾經每一次變革都會受到來自技術上的阻力相同，汽車在告別化石能源全力擁抱新能源技術，駛向未來駕駛的過程中，也面對著不小的挑戰。

GIF:reddit.com

其中，車載動力鋰離子電池的表現達不到預期就是挑戰之一。好不容易排到新能源號牌，但日常電動汽車只敢在充電樁方圓百公里左右活動，上下班通勤路程都勉勉強強，更別提長距離自駕出游了。而且電動汽車的充電時間長，一旦沒電，可能離真正上路還要半天時間。

車載動力鋰離子電池屬于可充電電池。一般可充電電池重要由三部分組成，分別是含金屬元素（如鈉離子、鋰離子等）的正極，負極和電解液。充電時，金屬離子從正極中出來，經過電解液，到達負極，同時電子經過外電路轉移到負極，放電時則相反。于是，隨著電池一次又一次地充放電，金屬離子也不斷地在兩極間往返。

鈷酸鋰原理示意圖圖片：nature.com

假如說可充電電池是個折返跑的跑道，帶電的離子是來回往返的“運動員”，那么正極材料就像是有著彈簧的助跑器，極大地決定著“運動員”們起跑的速度。假如助跑器彈性不佳，那么運動員的起步也會落下別人一個身位；但假如助跑器彈性過好，運動員可能出去就會摔倒了。

可充電電池的正極材料不僅決定著電池整體能量密度，同時也影響著電池的整體性能，因此在材料活性、成本和安全性等方面都面對著很高的要求。

為了突破可充電電池的儲能瓶頸，能源、化學大佬們也正如火如荼地對電池的正極材料進行著探索和革新。不過，哪種才是真正的未來能源之王呢？

電池盤點

鈉離子電池

鈉資源的儲量豐富（大約是鋰的400倍），開采成本十分低廉，所以可以滿足鈉離子電池（NIBs）的正極材料供給，并且能夠大規模應用在各種可充電電池場景中。

用于大規模儲能系統應用的固定NIB基本特點圖片：參考資料[1]

此外，鈉離子電池的過渡金屬元素鐵、錳等，成本也低。而且拿鐵酸鈉（化學式NaFeO2）來說，因為鈉離子（1.02A）和鐵離子（III）（0.645A）的半徑相差較大，因此鐵酸鈉不會像三元材料發生陽離子混排，可以形成穩定的層狀結構。此外，鈉離子電池還可以實現大功率輸出，所以非常適合用在大規模儲能設備中。

鈉離子電池的成本來源和比例圖片：參考資料[1]

但是即使鈉離子電池在大規模儲能系統中展現出了規模優勢，但是鈉離子電池在新能源汽車上卻并不太適用。這是因為：

1.鈉離子的半徑較大（是鋰離子半徑的一倍）。不難想象，當一個胖胖的鈉離子在電極中不斷運動時，很容易引起電極材料微觀結構的破壞和崩塌，也就是“撐壞了”，從而造成電池容量出現迅速衰減，影響電池的使用壽命。長期來看，反而可能不劃算。

2.鈉元素的相對原子質量也較大（是鋰的3倍多），這意味著儲存同樣的一份能量，鈉離子電池要更大的質量，這和新能源汽車“減重”的宗旨是背道而馳的。歸根結底，鈉離子電池的這些缺點只因為鈉是個“胖子”。

多離子電池

在離子狀態時，鈉元素的價態是+1，意味著它的每次移動可以攜帶一個電荷，對應于一個電子的轉移。所以，當鈉的數量為n時，這個電池所能儲存電荷數量的上限就是1*n。

那么是不是意味著，假如把單個離子可攜帶的電荷數提高，這樣電池的能量密度也會變得更高？研究者們也是這樣想的。于是，鎂離子、鋁離子等使用高價態金屬元素作為正極材料的多離子電池應運而生。因為相同數量的離子能夠存儲更高密度的電荷，所以多離子電池容易達到較高的能量密度。而且當金屬鋁被用作電池正極時，由于金屬鋁具有更高的空氣穩定性，電池的安全性問題也得到了改善。

可充鋁電池的優勢與挑戰圖片：參考資料[2]

當然，多離子電池也同樣會遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價態離子，雖然離子半徑沒那么大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，你在參加折返跑比賽時，人家都是輕裝上陣，但是你還穿著棉衣棉褲加羽絨服。遷移慢所造成的后果是電池的倍率性能不好，影響電池的充放電速度。

鋰空氣電池

在人類能源開發的歷程中，空氣一直有著重要的角色，空氣的動能可以通過風力機轉化成機械能、電能和熱能；而在電池界，空氣，確切來說是氧氣，也成為正極材料的一種選擇。放電時，負極材料金屬鋰向電解液供應鋰離子，這些離子與氧氣反應，生成過氧化鋰，同時發生電荷轉移，從而出現電能。

鋰空氣電池有著很多優勢。當氧氣成為正極材料，電池的一部分直接變成氣體了，可想而知有多輕。而且理論上來說，它還有儲存更多能量的潛能。鋰空氣電池的理論能量密度很高，達到12000Wh/Kg，這一數值甚至和汽油（13000Wh/kg）有一拼。

基于FST-GPE聚合物電解質與傳統液態電解液的鋰氧/空氣電池的工況比較圖。圖片：參考資料[3]

不過鋰空氣電池這個聽上去就科幻無比的產品仍然有一定的路要走。在半敞開的鋰空氣電池中，金屬鋰負極在充放電循環過程中難免與空氣中其他成分接觸，尤其是水極易與金屬鋰發生劇烈反應。此外，鋰空氣電池中易揮發的有機液態電解液面對著過充、高溫等條件誘發的電池燃燒甚至爆炸的風險，加上電池工作室要一套附屬設施來進行提取出空氣中的氧氣。這套附屬裝置無論從成本還是便攜度上都極大拉低了鋰空氣電池的競爭力……這些都是制約鋰空氣電池實用化的瓶頸。[3]

鋰離子電池

鋰離子電池比上述幾種電池常見得多。

要了解，1970年代后期，就已經有了一種“鋰離子電池”。當時的鋰離子電池還在非常硬核地使用金屬鋰作為負極，因為同樣質量下，鋰離子電池能比其他電池儲存更多的電能，因此很受市場青睞，比如“大哥大”使用的就是這種鋰離子電池。

但是金屬鋰太鬧騰了，它是元素周期表里最活潑的元素之一，極易燃燒，甚至與氮氣都能眉來眼去一下發生反應。這樣的特性極大拔高了鋰離子電池的技術要求：生產組裝過程中稍有不慎，泄進了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒。而在肉眼看不到的地方，還有一個更大的隱患——由于動力學等因素，鋰金屬表面會形成一些小分支，叫做“枝晶”。隨著在電池的使用，這些枝晶會越長越大，最終會刺破電池正負極之間的隔膜，造成短路，引起電池自燃。

鋰枝晶的微觀照片，：參考資料[4]

到了現在，鋰離子電池這種一次電池更多的是被用在水力風力發電的儲備設施上；而我們生活中通常更常見的以鋰這種化學元素作為材料的電池早就變成了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作為正極的二次電池。在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子的“折返跑”，所以它應該被更準確地叫做“鋰離子電池”。

拿鋰離子電池常見的正極材料之一，鈷酸鋰（化學式LiCoO2）來說，在晶體學上它屬于一種層狀材料。其中層狀是指鈷和氧原子的結合更緊密，形成的正八面體的平板，鋰原子層就乖乖地卡在兩個“平板”之間，可以更老實地在鈷酸鋰晶體中快速移動。[5]

鈷酸鋰晶體結構圖片：Wikipedia

而且，這種氧化物可以拔高電池的使用電壓，從而提升電池儲存的電量；更為重要的是，鈷酸鋰對空氣等不敏感，跟金屬鋰這個“多動癥”相比，可以說是非常乖巧了；枝晶問題在鈷酸鋰中也得到了改善。因此，和前三種電池比較起來，在一定的使用時長下，鈷酸鋰是一種綜合性能相對較高的電極材料，使用場景也更加豐富便捷，成為目前最常見的電池材料也不足為奇了。

不過，鈷酸鋰作為電池材料也存在自己的問題。就像再豐富的礦山也有被掏空的一天，鈷酸鋰的層狀結構在充放電循環過程中容易崩塌，而且崩塌層之間無法再進行鋰離子的存儲，造成電池整體的性能衰減，能量密度降低。假如再被放到單次能量需求較大的場景，就會比較吃力。再加上鈷酸鋰實在不便宜、其對高溫的敏感性也是一個要考慮的問題，所以鈷酸鋰作為電池材料的技術優化也仍然是進行時。

電池好，自然跑得遠

假如說電池本身就是一輛小車，那么正極材料可以說是這臺小車的強勁發動機，為這量小車供應穩定的能量支持；電池材料技術的優化是未來新能源車徹底擺脫“在充電樁方圓百里轉圈圈”的有效途徑。

我國目前已經成為全球最大的新能源汽車市場。中汽協相關數據表明，2018－2020年新能源車總產量預計為104.3萬輛、148.4萬輛和203.4萬輛，從2017年到2018年上市的新能源汽車的平均能量密度也從103.3Wh/kg提升到了142.4Wh/kg。

但是這還遠遠不夠，拿當前最重要的鋰離子電池來說，美國能源部智能制造創新機構（CESMII）曾經為鋰離子電池規劃了一個路線圖，原定目標是在2019年左右，它的能量密度可以達到350Wh/Kg[7]。但是根據工信部新能源汽車推薦目錄顯示，目前單體電池的能量密度最高也只是200Wh/Kg左右。電池材料技術的研發還任重道遠。

我國電動汽車市場潛力巨大圖片：Bloomberg

作為全球技術領先、產量領先的高能量密度正極材料供應商，巴斯夫一直致力于開發和生產量量密度更高，價格更具優勢，性能更可靠的正極電池材料。通過采用多種方法來提升材料的特性：材料的化學組成、材料顆粒的大小與分布、孔隙度和表面特性的調節等，從而大幅提高了正極活性材料的性能。

同時，在巴斯夫使用小型測試電池對材料進行研究和檢測的過程中，每天都生成超過7000萬的數據。機器學習與超級計算機Quriosity能幫助預測并分析材料特性，加速整體研究過程。

超級計算機Quriosity丨巴斯夫BASF

在今天，巴斯夫研發的鎳鈷鋁正極活性材料（NCA）和鎳鈷錳正極活性材料（NCM）已經被應用在全球領先的電動汽車動力鋰離子電池中。他們能夠實現更高的能量密度，更短的充電時間，更穩定的性能，更優化的性價比。

鋰鎳氧化物的電子掃描顯微像|巴斯夫BASF

在巴斯夫的下一階段發展目標里，到2025年，一臺普通中型電動汽車搭載的電池體積就將減半，實際續航里程也會提升到600公里，充電時間則縮短至15分鐘。也就是說，我們只要等待15分鐘，就可以開車輕松繞著內環高架路10圈、甚至跨城。

這等待的15分鐘，我們可以做點什么?巴斯夫的創新團隊與全球創意平臺Filmaka合作，暢想世界各地的人們可以如何利用這15分鐘為自己的生活加油,給愛車充電的同時也給生活帶來更多能量。

當然，電池材料技術的進步帶來的不止有生活的小確幸，整個城市也會隨之改變。在未來，道路上將能看到更多的新能源汽車，無人駕駛也可能因為能量充足而更快地實現功能的完善和部署，物聯網智能生態也能因澎湃的能量儲備而變得更加“生氣勃勃”；更重要的是，空氣質量將會得到極大改善，整個城市將變得愈發宜居。

隨著城市的快速發展，交通、居住、建筑方面的挑戰都在迅速新增。得益于巴斯夫對材料、對汽車研發周期的深入了解，以及與電池生產商的密切合作，巴斯夫的化學創新為我們展示了如何在一次次能源變革的帶領下，將城市生活的挑戰一次又一次的轉變為美好未來，讓我們對現在的城市生活充滿信心和期待，同時未來生活在當下其實也已經開始揭開序幕了。