新能源系列：锂电池真的无可替代吗？

人类一直在寻找合适的元素作为电池材料，科学家先后尝试过铜、铁、锌、铅、汞、镁等多种材料。电池改进方向主要以提升容量和放电性能等指标为主，最终选择了锂作为新一代充电电池的材料。

如果你看了《极简锂电池史》（文章在二条，视频下周发）。我猜你会有个疑问：电池品类那么多，为何偏偏是1991年才问世的锂电池，雄霸了整个消费电子和动力电池行业？

马斯克说：思考问题要从本质出发。为了解答这个问题，我把化学课本搬了出来：

一、电池原理：嫁给那美女

电池本质是一种化学能源，即通过元素的化学反应，产生定向移动的电子和离子，即电流。以下对远离校园的伙伴可能有点煎熬，我尽量往简单讲。

以丹尼尔发明的“锌铜电池”为例：

不知大家还记不记得，化学元素有所谓的金属性？还有个顺口溜：

嫁给那美女，身体细纤轻，统共一百斤。

（钾钙钠镁铝，锌铁锡铅氢，铜汞银铂金）

其中，氢是标准值，排在氢前面的可以把氢从溶液中置换出来，排在氢后面的，无法把氢置换出来。从这个口诀可知金属性：锌>氢>铜。

如果把锌和铜，同时浸入稀硫酸（H2SO4）中。根据金属性，锌会置换出H2SO4中的氢原子H+。锌溶解后，会多出两个电子，电子通过外电路移动到铜片上，而氢比铜要活泼，所以氢离子会接收铜片上的电子，再结合变为氢气。同时，稀硫酸中的带负电荷的离子向锌片移动，这样就构成了一个完整的电回路。

整个过程的公式是这样的：

负极产生电子：Zn - 2e- ═ Zn2+；

正极消耗电子：2H+ ＋ 2e- ═ H2↑

其他电池，无论是镍镉、锌锰（干电池）、还是锂电池、钠离子电池，原理大同小异。具体采用何种材料，则有化学性能、物理性能、价格等多重考量。例如，生活中最常见的的碱性电池，是用锰替代上面实验中的铜，一是因为锰比铜便宜了不少，二是锰的金属活跃性比铜强，化合反应能产生更强的电流。

二、锂凭什么胜出？

要想成为好的能量载体，就要以尽可能小的体积和重量，存储和搬运更多的能量。因此，需要满足下面几个基本条件：

1）得失电子能力要强；2）原子相对质量要小；3）电子转移比例要高

接下来，我们请出门捷列夫同志在1869年的伟大发现——元素周期表。

在周期表中,越向左下,金属性越强,越向右上,非金属性越强。金属性越强，元素失电子的能力就越强。

（一）锂的金属性最强

接下来有点小复杂。根据上面的定律，金属性最好的应该是钫。但标题又写了：锂的金属活动性最强。是写错了吗？不是，其实，标题得加个前提：在中性溶液（水）中，锂是活动性最高的金属。虽然锂是碱金属中金属性最弱的元素，但是由于锂原子和离子半径小，离子静电场力较大，导致Li+的水合能力特别高，掩盖了锂元素升华能与电离能偏高的短板，使其成为水中活动性最高的金属。因为这个原因，金属锂在中性溶液中的标准电极电势为 -3.045V，为活动性最强。

所以，锂成为电池负极首选的第一理由，是其具有最强的金属性。金属性越强，和其他金属搭配就会产生越大电势差（可理解为电压）。电压和关系为：电流=电压/电阻，即电阻既定情况下，电压越大，能给用电器提供的电流就越大。

（二）锂的能量密度最高

电池能量密度的单位是Wh/kg，即电池的能量与其体积之比。

找了张2020年的图：

动力电池主流分两类：磷酸铁锂，能量密度大概是160Wh/kg，三元锂，能量密度大概是270Wh/kg，特斯拉的4680也是三元锂，说是超过了300Wh/kg。

欧洲成为动力电池争霸的新战场

7月1日，远景科技集团旗下动力电池公司远景动力（即原“远景AESC”）与日产汽车共同宣布，远景动力将为日产汽车下一代电动汽车平台提供电池。同时，远景动力将在英国桑德兰市投资4.5亿英镑建设英国首座动力电池超级工厂（gigafactory），生产最新一代动力电池

其他日常常用的电池，能量密度有多少呢？

电动摩托车在用的铅酸蓄电池（左下），能量密度40wh/kg，优势是便宜。

5号碱性干电池（右下），能量密度在45-120wh/kg，比锂还是差了很多。

为何锂的能量密度高出这么多？

还得从锂元素的特性讲起。在元素周期表中，序号越小，原子质量越轻。锂元素是第三号元素，也是排在最靠前的金属元素，代表着原子重量上是最优越的。

我们来看携带电子的能力。举个栗子：锂是7个质量单位（下左），每个锂携带着1个电荷（下右最外层）；

蓄电池和干电池常用的锌，原子质量是65（下左），每一个锌能携带着2个电荷（下右最外层）。

仅从原子属性看，锂能量密度是锌的65/（7*2）=4.6倍。

对比一下宁德时代首发的钠离子电池。

钠原子质量是23（上右），每个钠原子能携带着1个电荷（上左最外层），单从原子特性看，钠的能量密度是锂的1/3。原子属性决定了，钠在动力电池领域必然无法替代锂。

从另一个侧面也说明宁德时代能把钠离子电池的能量密度做到磷酸铁锂的水平，科研能力有多强。当然，宁德时代的钠离子电池实际是锂+纳，并不是纯粹的钠。

（三）其他原因

1.不易被氧化，自放电低；在正常存放情况下，月自放电率仅为5%左右。

2.循环寿命长，无记忆效应；普通锂二次电池在100%的放电深度下，充放电可达500次以上。如磷酸铁锂电池电池循环寿命可超过2000次。

3.充电效率高；电池循环充放电过程中能量转换效率可达90%以上。

4.熔点高；锂本身熔点180ºC，形成化合物后，熔点可以大幅提高。如磷酸铁锂的熔点可达到800ºC。

5.含量不算“稀有”；锂号称“稀有金属”，其实它在地壳中的含量不算“稀有”，地壳中约有0.0065%的锂，其丰度居第二十七位。海水中锂的含量不算少，总储量达2600亿吨，可惜浓度太小，提炼困难。中国锂矿资源丰富，仅江西云母锂矿就可供开采上百年。但中国目前锂矿主要还是依赖进口，主要原因后面文章再说。

综上，锂电池在活跃度、能源密度、充电性能、熔点、储存量等各方面都具备了远超锌、铜、钠的特性。锂真的无可替代吗？在现有技术水平和已知元素中，还真是这样。

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