Part One同类锂电池性能碾压 却难免阿喀琉斯

PREFACE

编者按

锂离子电池(以下简称锂离子电池)“锂电池”)自1991年首次商业化以来，由于能量密度、充电效率和输出电压优势，使用寿命长，绿色环保，广泛应用于电动汽车动力、消费电子、储能等重要领域，被称为“人类历史上最伟大的技术之一”。 

然而，最近关于水电池有望在五年内取代锂离子电池的重磅消息却如石破天惊。这一电池领域的突破性进展迅速引起了业界的高度关注。原来，在马天一教授的带领下，澳大利亚皇家墨尔本理工大学和中国辽宁大学的联合团队发明了一种神奇的东西“水电池”，用水代替有机电解质可以防止火灾和爆燃，不仅可以一举解决锂电池最致命的安全问题，还可以实现与锂电池相当的循环寿命。受水电池性能优异的鼓舞，发明团队乐观地认为，水电池有望在1-3年内取代铅酸电池，并在5-10年内取代锂电池。 

这四个人都很惊讶，因为锂电池行业以前被称为a股的新轨道，大多数企业都赚了很多钱。例如，依托锂电池产品，宁德时代在电池产业链关键领域具有核心技术优势和强大的研发能力，自2018年上市以来，净利润从30多亿增长到300多亿，股价在短短三年内翻了十倍多。

那么，锂电池的核心竞争优势是什么呢？为什么安全问题会成为锂电池的致命伤害？

水电池优异的安全性能从何而来？与锂电池相比，水电池的缺点是什么？

带着以上问题，侦碳家族将从技术角度为您分析水电池的突破性进展。

Part One

同类锂电池性能碾压

  却难免“阿喀琉斯之” 

如果说宁德时代从登陆a股开始就加冕为“宁王”，所以皇冠上最闪亮的宝石是锂电池。作为一个“宁王”锂电池在性能上碾压群雄的众多竞争优势绝不是假名，其中能量密度、充电效率和输出电压“三高”它的突出优势。

铅酸电池曾经是电动汽车中应用最广泛的电源，但与600Wh/kg的标准储能密度相比，铅酸电池的能量密度不到锂电池的1/6，而相同质量下的体积是锂电池的6倍。锂电池以更高效、更轻的效率击败铅酸电池。

同时，铅酸蓄电池不仅充电速度慢，而且使用寿命短；锂电池充电效率高，没有记忆效应（现在甚至有超级锂电池可以在20秒内充满电），使用寿命可以超过6年。

此外，锂电池还能承受高功率，使电车中高强度启动加速更加方便。例如，磷酸亚铁锂电池可达到15-30C的充放电能力，完全符合高强度启动加速的需要。

除了铅酸电池，锂电池比镍镉电池和镍氢电池更舒适。锂电池不仅具有良好的充放电性能，而且单个电压可达到3.6伏以上，相当于镍镉电池或镍氢电池串联后的3倍上限。因此，锂电池组组成的电源更高效、更轻；锂电池的自放电率也低至每月不到1%，而镍氢电池的自放电率是其的20倍，造成了巨大的能量损失。

此外，锂电池的竞争优势还包括绿色环保，在生产、使用和报废过程中不会产生或释放汞、镉、铅等有毒重金属。 

但如果你从逆向思维的角度来理解，上帝可能会关上一扇窗户，同时为你打开一扇门。虽然锂电池的许多性能优势足以粉碎英雄，但也存在成本高、依靠特殊保护电路防止过度充电或过度放电、安全性差、爆炸风险差等缺点。但锂电池是真的“阿喀琉斯的后跟”，致命伤害或安全性差。

Part Two

锂电池一次又一次爆炸，迎来了新的对手

锂电池以锂化合物为正极，碳材料为负极，并采用有机电解液，工作原理如下：

锂电池充电时，锂离子通过电解质在正极上移动到负极，并嵌入负极碳材料层状结构的微孔中（锂离子越多，充电容量越高）;锂电池放电时，嵌入负极碳材料微孔的锂离子摆脱束缚，通过有机电解质移动回正极（回正极锂离子越多，放置越多容量越高)。

上述放电和充电过程是可逆的，锂以离子形式存在，并始终处于正极→负极→在正极运动状态下，金属状态的锂不会沉淀，因此锂电池在正常放电和充电过程中具有很高的稳定性。

然而，锂电池的实际使用，特别是当作为电动机车的动力使用时，安全性能远非理论描述。燃烧和爆炸是充放电过程中产生相对较大热量的锂电池最可怕的后果。

百度百科全书特斯拉自燃门事件显示，2019年4月21日，在上海徐汇区裕德路泰德花园社区地下车库，一辆特斯拉汽车突然冒出白烟，然后着火燃烧。火灾还影响了周围停泊的其他车辆。幸运的是，没有人员伤亡。虽然调碳家族同意特斯拉发言人的观点“特斯拉汽车发生火灾的可能性约为传统燃油汽车的十分之一”判断，但锂电池安全性差也是不争的事实。

一旦两轮电动汽车使用的锂电池爆炸，后果可能会更加严重。据公开报道，2021年10月8日，陈某发现电动自行车锂电池发热，于是将电池带到门口冷却。陈某拿着电池进入电梯约10秒后，电池冒烟爆燃，火瞬间铺满了整个轿厢。陈某因多处器官损伤严重烧伤，不到一个月就去世了。消防部门认定火灾原因是电动自行车锂电池热失控造成的。

巧合的是，2023年4月6日，当周在北京为电动自行车使用的锂电池充电时，充电中的电池突然爆炸并引起火灾，火灾产生大量烟雾，最终造成两人死亡和多人受伤的严重后果。消防部门认定的火灾原因是锂电池充电过程中热失控引燃周围可燃物。 

事实上，锂电池燃烧和爆炸的原因远不止上述。主要包括：

1.过度充电：当锂电池充电超过额定电压或充电电流时，会产生过多的热量，导致电池内部温度和压力升高，可能导致爆炸或火灾。

2.内部短路：锂电池内部短路会导致大量电流通过短路点，产生大量热量，可能导致爆炸或火灾。

3.外部短路：由于操作不当或使用不当，锂电池放电电流过大，导致电池过热产生的高温会收缩或完全损坏电池内的隔膜，导致内部短路。

4.温度过高：长期处于高温环境中，锂电池电解质中的溶剂挥发速度不仅会加快，电极材料也会膨胀内阻，因此电池容量逐渐下降，还会导致泄漏、短路等。

5.负极容量不足：一旦锂电池负极容量不足，部分锂不能嵌入负极碳材料的层次结构微孔，只能留在负极表面形成突出的枝形晶体。这种突出的枝形晶体也会导致更多的锂滞留在负极表面，形成更大的突出的枝形晶体，导致恶性循环。越来越大的突出的枝形晶体最终会刺穿隔膜纸，导致内部短路。

此外，锂电池的燃烧也可能是由于含水量过高、机械振动或损坏以及正负极反向连接引起的。 

南京今年发生了什么“2·23”火灾使人们对电动汽车电池安全的恐惧上升到几乎谈论锂变色，事件背后的罪魁祸首是锂电池。南京新闻发布会信息显示，当天凌晨4时39分，雨花台区明尚西苑6号楼架空电动自行车停车场起火，迅速蔓延至6号楼较高楼层造成火灾(据说有居民甚至从15楼逃到地下停车场)。虽然消防部门迅速组织了8个消防救援站、25辆消防车和130名消防队员，并在事故发生后80分钟左右扑灭了明火，但事故仍造成了15人死亡和44人住院的痛苦后果。随后，上海还透露，每周发生三起电动自行车火灾，三名车主被拘留。火灾的原因还包括电动自行车充电和燃烧。 

由于锂电池自身的结构和工作原理决定了其安全性，改进有限，另一种方式可能是光明的。于是“水电池”及时应运而生。于是“水电池”及时应运而生。缘起缘灭，果然一切都是最好的安排。

Part Three

最安全的“水电池”能点水成银吗？

据这次带领团队发明“水电池”马天一教授介绍，这种“水电池”本质上是水金属电池，其最显著的特点是用水代替有机电解质，使电流也能在正负极之间流动，因此非常安全，完美地弥补了锂电池最大的痛点。当然，作为电解质，水中添加了一些简单的盐，但不包括硫酸盐或锂盐，因此生产难度和成本较低，也降低了环保风险。

发明团队还根据来源丰富、价格低廉、降低毒性、减少对健康和环境影响的原则选择电极材料，最终选择锰、锌等金属材料，不仅电池生产、使用和拆卸非常安全，电池使用寿命也可以回收材料，非常环保。

鉴于枝晶的生长会降低电池的使用寿命，发明团队还在电极上镀金属铋及其氧化物，以抑制枝晶的生长，防止电池短路等严重故障，最终提高电池的使用寿命。马天一教授说，目前水电池的循环寿命与市场上的商用锂离子电池相当。

据马教授介绍，发明团队已经开发出了类似AA或AAA电池的硬币大小的水电池原型和圆柱形电池。但与锂电池相比，水电池在能量密度上仍存在较大差距。目前水电池的能量密度可达75Wh/kg，仅相当于特斯拉锂电池的30%。因此，马教授及其团队正在开发新型纳米电极，并考虑在未来使用重量轻、势能密度高、充电时间快的镁离子水电池，以提高水电池的能量密度。但缺陷并不掩盖缺陷，暂时的差距并没有改变马教授对“预计铅酸电池将在短期1-3年内取代，锂离子电池将在5-10年内取代”的信心。 

在这方面，碳调查员认为水电池目前75Wh/kg的能量密度已经超过铅酸电池，并在安全性方面击败了铅酸电池和锂电池。因此，从电动汽车的启动和停止以及低速动力等方面取代铅酸电池是可行的；同时，考虑回收铅酸电池的成本约为0.3-0.4元/元Wh；而基于锌锰系统的水电池，材料和电池成本叠加后具有更多的成本优势。因此，水电池完全有可能在三年内更换铅酸电池。 

至于5-10年更换锂电池的可能性，碳侦探家认为有希望，但现在得出结论，时尚还早。一方面，世界每年在锂电池技术的研发上投入大量资金，安全性不断提高；另一方面，水电池技术远非智治，需要自我完善，未来发展的一些总体方向还有待确定。例如，只有正极材料分为锰基、钒基和普鲁斯蓝三个主流方向，各有优缺点，未来还需要在发展中做出选择。

然而，对于中国来说，碳调查员认为，我们必须关注水电池的发展和锂电池替代的可能性有一个原因，那就是战略资源的安全性。由于我国锂资源相对稀缺，70%以上依赖进口，价格昂贵；然而，锌资源在中国非常丰富，价格低廉。从避免被卡住的角度来看，碳调查员支持加快水电池技术的发展，这将不可避免地取代其可能性。

当然，如果“水电池”即使部分替代锂电池，未来也能消除能量密度的缺点，按照如此巨大的市场需求和容量，“水电池”点水成银真的不是梦。侦炭家也期待科技让生活更美好。

THE END

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