由于鋰離子電池能量密度的限制，科學(xué)界和業(yè)界不斷探尋其它電池技術(shù)，關(guān)于電池技術(shù)的分析預(yù)測文章也是不勝枚舉。但是縱觀這些分析文章，定性的居多，定量的鳳毛麟角。

本文介紹了卡內(nèi)基卡梅隆大學(xué)的Venkatasubramanian Viswanathan教授團(tuán)隊以科研論文數(shù)量為依據(jù)對Li-S、Li-Air、Mg-ion、 Na-ion等電池技術(shù)的發(fā)展階段進(jìn)行了定量的分析，并以此為基礎(chǔ)繪制了這些電池技術(shù)的Hype Cycle。

寫這篇文章的另外兩個目的：

1）他山之石可以攻玉，成熟商業(yè)分析工具在科研上也許有想不到的作用。

2）每種新技術(shù)的成熟都有其特定的周期，以及背后無數(shù)科研人員的辛勤付出。作為鋰電池的從業(yè)者，我們很樂于看到技術(shù)的‘突破Through’，可也不能被一些超越常識‘Break News’輕易忽悠了。

Hype Cycle

技術(shù)成熟度曲線（The Hype Cycle），是由美國著名咨詢公司Gartner在研究多數(shù)技術(shù)的發(fā)展邏輯后，開發(fā)出一種用于分析及預(yù)測新技術(shù)從概念到成熟發(fā)展趨勢圖。

一項新技術(shù)的Hype Cycle 可分為五個階段：

1，技術(shù)誕生的觸發(fā)期（Innovation Triger）

一項潛在的新技術(shù)突破因媒體過度的渲染而廣而告之，但并沒有成熟的產(chǎn)品以及明朗的商業(yè)化預(yù)期。

2，期望膨脹的峰值期（Peak of Inflated Expectations）

高的關(guān)注度推動技術(shù)的發(fā)展，一些公司開始進(jìn)入這一領(lǐng)域。

3，泡沫破裂的幻滅期（Trough of Disillusionment）

由于技術(shù)缺陷或不成熟導(dǎo)致產(chǎn)品無法普及，公眾的關(guān)注度下降，一部分投資開始撤離。

4，穩(wěn)步爬升的復(fù)蘇期 （Slope of Enlightenment）

由于技術(shù)和應(yīng)用場景的逐漸成熟和完善，重燃市場的興趣，產(chǎn)品應(yīng)用開始普及。

5，實質(zhì)生產(chǎn)的成熟期 （Plateau of Productivity）

技術(shù)的潛力和盈利能力被市場認(rèn)可，產(chǎn)品和市場均走向成熟。

Fig. 1: Gartner Hype Cycle

很顯然，經(jīng)過多年的演進(jìn)，鋰離子電池已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，催生出了一個蓬勃的新產(chǎn)業(yè)，也給各位同仁提供了安身立命之所。但是，對能量密度的焦慮，就像鋰離子電池的伴生惡魔一樣，一直揮之不去。經(jīng)過不懈努力，過去20年，鋰電池的能量密度以每年8%的速度的提升，但是這一提升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Moore定律中集成電路上可容納元器件數(shù)目的每18-24月就增長一倍的速度。為了降服這一惡魔，新的電池技術(shù)，如Li-S、Li-Air、Mg-ion、 Na-ion等開始進(jìn)入人們的研究視野?？▋?nèi)基卡梅隆大學(xué)的Venkatasubramanian Viswanathan教授團(tuán)隊[1]，創(chuàng)新性的采用Hype Cycle的分析方法，對這些電池技術(shù)的前景進(jìn)行了分析和預(yù)測。

電池技術(shù)的Hype Cycle

Viswanathan教授統(tǒng)計了這些電池技術(shù)從1996年到2014年發(fā)表的論文數(shù)量，采用了數(shù)據(jù)擬合的方法對之進(jìn)行分析。

其中，a 是指數(shù)增長系數(shù)，反映文獻(xiàn)的增長速度；b 是常數(shù)，取決于文獻(xiàn)的數(shù)量。計算得出各種電池技術(shù)的指數(shù)增長系數(shù)以及其相應(yīng)的 Hype 階段見 Table 1 （詳細(xì)的計算和分析過程，建議閱讀原文，限于篇幅就不在此贅述了）。

Table 1. 電池技術(shù)的論文的指數(shù)增長系數(shù)及Hype階段

以此為依據(jù)，繪制出了這些電池技術(shù)的 Hype Cycle （Fig. 2），

其中只有鋰離子電池跨越到最終的成熟期；

鋰空氣電池是這些新電池技術(shù)中唯一一個跨越泡沫破裂幻滅期的，正處在穩(wěn)步爬升的復(fù)蘇期；

鋰硫電池正在跨越泡沫破裂的幻滅期；

而鈉空氣電池、鎂離子電池、鈉離子電池和液流電池還處在技術(shù)的觸發(fā)期。

Fig. 2. 不同種類電池技術(shù)的Hype Cycle

鋰空氣電池的理論能量密度為11500 Wh/kg，接近汽油的13000 Wh/kg。當(dāng)然，如果將O2的質(zhì)量計算入內(nèi)的話，反應(yīng)體系的能量密度會下降到3500 Wh/kg，依然是能量密度最高的電池形式之一。有別于鋰離子電池的封閉反應(yīng)體系，鋰空氣電池需要從外界補(bǔ)充O2參與電池反應(yīng)（從這個角度來講，叫Li-O2電池也許更為合適）。但從1970年Li-air電池理論提出以來，以下問題一直伴隨著Li-air電池的發(fā)展：

1，循環(huán)壽命低。電解液的分解產(chǎn)物在正極表面形成了惰性層，減少了正極可供電池反應(yīng)的比表面積。同時，也會在負(fù)極鋰金屬表面SEI，增加了電池的過電勢（Overpotential），Overpotential的形成同樣會加劇電解液的分解。

2，放電能力差。鋰空氣電池反應(yīng)生成的Li2O2 （或者Li2O）會堵塞正極的空隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致放電截止。

3，鋰金屬負(fù)極鋰枝晶

4，廉價催化劑的開發(fā)

5，空氣過濾裝置的小型及高效性

所以有人說鋰空氣電池結(jié)合了燃料電池和鋰離子電池的缺點(diǎn)，也并非危言聳聽。但筆者不敢茍同鋰空氣電池就是一個坑的說法。技術(shù)的前進(jìn)總是曲折進(jìn)行的，量變不一定會導(dǎo)致質(zhì)變，但沒有量的積累，質(zhì)變也就無從談起。最近朋友圈被Nature上的一篇關(guān)于鋰空氣電池的文章[2]刷了屏，有興趣的朋友可以看一下。

鋰硫電池理論能量密度高達(dá)2500 Wh/kg，遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段鋰離子電池的200-300 Wh/kg，這使得鋰硫電池成為解決能量密度焦慮的有力競爭者。但現(xiàn)階段鋰硫電池還有較多的技術(shù)難題亟需解決。

1，電池反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化合物L(fēng)i2Sx (6 < x <= 8)在電解液的溶出。這些溶出的多硫化合物不僅消耗了正極的活性物質(zhì)，而且會造成負(fù)極的腐蝕，導(dǎo)致電池容量的持續(xù)下降，也降低了電池的首效。此外，這些溶出物在電池存儲時也會持續(xù)進(jìn)行，由此導(dǎo)致鋰硫電池較高的自放電。

2，正極膨脹高達(dá)80%，嚴(yán)重影響了電池的循環(huán)壽命。

3，正極硫和電池反應(yīng)負(fù)極產(chǎn)物L(fēng)i2S的導(dǎo)電性差，限制了電池的倍率性能。

4，負(fù)極鋰枝晶。

如果大家想進(jìn)一步了解鋰空氣電池和鋰硫電池的工作原理和面臨的挑戰(zhàn)，建議參看Nature Material 2010年關(guān)于這兩種電池技術(shù)的綜述文章[3]。

Hype Cycle之外

作為一個鋰電的從業(yè)者，筆者更相信技術(shù)漸進(jìn)式的革新，而不是忽如一夜春風(fēng)來式的革命。從鋰離子電池的發(fā)展過程來看，每一次進(jìn)步都帶來鋰離子電池應(yīng)用場景的擴(kuò)張。相較文章中提及的電池技術(shù)，硅負(fù)極以及固態(tài)鋰離子電池的也許會更快的實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

不過，論文中使用的Hype Cycle的研究方法很有借鑒意義，有興趣的朋友可以利用這個方法制作一下硅負(fù)極、固態(tài)電池、氫燃料電池的Hype Cycle，相信會至少成為一篇很有實用價值的研究論文。

參考文獻(xiàn)：

1，Sapunkov O., Pande V., Khetan A., Choomwattana C., and Viswanathan V. Quantifying the promise of ‘beyond’ Li–ion batteries, Transl. Mater. Res. 2 (2015) 045002.

2，Asadi M. and etc., A lithium–oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere, Nature, 555, 502-506 (2018).

3，Bruce P G, Freunberger S A, Hardwick L J and Tarascon J-M, Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage, Nat. Mater. 11 19–29 (2012).