PREFACE
编者按
锂离子电池(以下简称“锂电池”)自1991年首次商业化以来，因为具有能量密度、充电效率和输出电压三高等突出优势，同时使用寿命长且绿色环保，因此被广泛应用于电动汽车动力、消费电子和储能等重要领域，被誉为“人类历史上最伟大的技术之一”。
但近日一则《水电池有望5年内取代锂离子电池》的重磅消息有如石破天惊，这一电池领域的突破性进展迅速引发业内高度关注。原来，澳大利亚皇家墨尔本理工大学与中国辽宁大学的联合团队，在马天一教授带领下，发明了一种神奇的“水电池”，通过用水替代有机电解质，可以实现不起火、不爆燃，不但一举解决了锂电池最致命的安全性问题，循环寿命还能做到与锂电池旗鼓相当。受水电池优异表现的鼓舞，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年内取代当前正如日中天的锂电池。
此言一出，四座皆惊，因为锂电池行业此前还正被誉为A股的新赛道，所属企业大都赚得盆满钵满。比如依托锂电池产品，在电池产业链关键领域拥有核心技术优势和强大研发能力的宁德时代，自2018年上市以来，净利润从三十多亿连续增长到三百多亿，股价也在短短三年内就翻了十倍多。
那么，锂电池能够成为新赛道，凭借了哪些核心竞争优势？为何安全性问题会成为锂电池的致命伤？
水电池卓越的安全性能从何而来？水电池相比锂电池的不足尚有哪些？
带着上述疑问，侦碳家将从技术角度为您分析本次水电池取得的突破性进展。
Part One
锂电池性能碾压同类
却难免“阿喀琉斯之蝩”
如果说宁德时代从登陆A股时起，就加冕为“宁王”，那么皇冠上最闪亮的宝石非锂电池莫属。作为“宁王”的主力产品，锂电池在性能上碾压群雄的诸多竞争优势绝非浪得虚名，其中能量密度、充电效率和输出电压的“三高”是其突出优势。
铅酸电池曾是电动汽车上应用最广泛的电源，但相比锂电池动辄600Wh/kg的标配储能密度，铅酸电池的能量密度却还不到锂电池的1/6，而同样质量下的体积却又是锂电池的6倍，锂电池以更高效更轻便完胜铅酸电池。
同时，铅酸蓄电池不仅充电速度较慢，使用寿命也较短；而锂电池充电效率高且无记忆效应(现在甚至出现了只要20秒就可充满电的超级锂电池)，使用寿命也可达6年以上。
此外，锂电池还能承受高功率，这让电车中高强度的启动加速更加便捷。比如磷酸亚铁锂电池就可以达到15-30C的充放电能力，完全可以胜任高强度的启动加速需要。
除了铅酸电池，锂电池相比镍镉电池和镍氢电池也游刃有余。锂电池不仅充放电性能好，单体电压还可以达到3.6伏以上，这相当于3倍的镍镉电池或镍氢电池串联后才能达到的上限，因此由锂电池电池组构成的电源更加高效轻便；锂电池的自放电率也低至每月还不到1%，而镍氢电池的自放电率却是其20倍，能量损失较大。
此外，锂电池的竞争优势还包括绿色环保，在生产、使用和报废过程中都不会产生或释放汞、镉、铅等有毒重金属。
但如果从逆向思维的角度理解，上帝为你打开一扇门的同时，可能也会关上一扇窗，对锂电池亦然。虽然锂电池的诸多性能优势足以碾压群雄，但缺点也同样存在，包括成本较高、依赖特殊保护电路防止过充或过放，以及安全性欠佳存在燃爆风险等。但锂电池真正的“阿喀琉斯之踵”，致命伤还是安全性欠佳。
Part Two
一再燃爆的锂电池，迎来新对手
锂电池以锂化合物为正极，碳材料为负极，并使用有机电解液，工作原理如下：
锂电池充电时，正极上生成锂离子通过电解液移动到负极，并嵌入负极碳材料层状结构的微孔中(嵌入锂离子越多，充电容量越高);锂电池放电时，嵌入负极碳材料微孔中的锂离子摆脱束缚，又通过有机电解液移动回正极(回正极锂离子越多，放电容量越高)。
以上放电和充电过程均可逆，锂以离子形态存在并始终处于正极→负极→正极的运动状态中，并不会析出金属状态的锂，因此在正常的放电和充电过程中，锂电池都具有高度稳定性。
但是，实际使用中的锂电池，尤其是被当作电动机车的动力使用时，安全性能远非理论描述的那样可以高枕无忧。对于充放电时产生热量相对较大的锂电池来说，燃烧和爆炸是其发生安全问题时最可怕的后果。
百度百科的特斯拉自燃门事件显示：2019年4月21日，上海徐汇区裕德路泰德花苑小区地下车库内，一辆特斯拉轿车突然冒出白烟，进而起火燃烧，火势还殃及了周遭停泊的其他车辆，所幸无人员伤亡。虽然侦碳家认同特斯拉发言人对“特斯拉汽车遭遇火灾的可能性大约是传统燃油车的十分之一”的判断，但锂电池的安全性欠佳也是不争事实。
两轮电动车使用的锂电池一旦发生燃爆，造成后果反而可能更严重。据公开报导，2021年10月8日，陈某发现电动自行车的锂电池发热，于是拎着电池去门口降温。在陈某拎着电池进入电梯约10秒后，电池就冒烟然后发生爆燃，火光瞬间铺满整个轿厢。陈某被严重烧伤合并多处器官损伤，不到1个月就去世了。消防部门认定起火原因系电动自行车锂电池热失控所致。
有独无偶，2023年4月6日，周某在北京家中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发火灾，火势产生大量浓烟，最终造成两人死亡多人受伤的严重后果。消防部门认定的起火原因是锂电池充电过程中热失控引燃周边可燃物所致。
实际上，造成锂电池燃烧和爆炸的原因还远不止上述。主要包括：
1.充电过度：锂电池充电超过其额定电压或充电电流时，会产生过多热量，导致电池内部温度和压力上升，从而可能引发爆炸或起火。
2.内部短路：锂电池内部发生短路会导致大量电流通过短路点，产生大量的热量，从而可能引发爆炸或起火。
3.外部短路：由于操作不当或错误使用造成外部短路时，锂电池放电电流过大，造成电芯过热产生的高温会使电芯内部的隔膜收缩或完全损坏，从而造成内部短路。
4.温度过高：长时间处于高温环境中，不仅锂电池电解液中的溶剂挥发速度会加快，电极材料也会膨胀内阻增加，于是电池容量逐渐下降，还会引起漏电、短路等情况。
5.负极容量不足：锂电池负极容量一旦不足，充电时部分锂就无法嵌入负极碳材料的层次结构微孔中，只能留在负极的表面形成突起状的枝晶。这种突起状枝晶在下一次充电时还会造成更多锂滞留在负极表面形成更多更大突起状枝晶，造成恶性循环。越来越大的突起状枝晶最终会刺穿隔膜纸，造成内部短路。
此外，水份含量过高、机械振动或损坏，以及正负极接反等原因也可能引发锂电池燃爆。
今年南京发生的“2·23”火灾，更让人们对电动车电池安全性的恐惧上升到近乎谈锂变色，而事件背后的元凶又是锂电池。来自南京新闻发布会的信息显示：当日凌晨4点39分，雨花台区明尚西苑6栋的建筑地面架空层电动自行车停放处起火，并很快蔓延到该6栋更高楼层造成火灾(据说有住户甚至从15楼跑到地下停车场逃生)。虽然消防部门很快组织8个消防救援站、25辆消防车和130名消防队员到场救援，并在事发后80分钟左右就扑灭了明火，但事故依然造成了15人遇难和44人入院治疗的惨痛后果。后续上海也被曝出在一周连发3起电动自行车火灾，3名车主均被拘留，火灾原因也包括电动自行车入屋充电引发燃烧。
既然锂电池的自身结构和工作原理都已经决定了其安全性还难尽人意，改进也受限，另辟蹊径也许会柳暗花明。于是“水电池”及时地应运而生。缘起缘灭，果然一切皆是最好安排。
Part Three
最安全的“水电池”能否点水成银
据本次带领团队发明“水电池”的马天一教授介绍，这种“水电池”本质上是水金属电池，其最显著特征是用水代替了有机电解质，使电流同样能够在正极和负极之间流动，所以不起火、不燃爆，非常安全，完美弥补了锂电池最大的痛点。当然作为电解液的水还是添加了一些简单的盐类，但不包括硫酸盐或锂盐，因此生产难度和成本都较低，同时也降低了环保风险。
发明团队还参照来源丰富、价格低廉、降低毒性和减少对健康和环境影响等原则选择电极等材料，最终选择使用锰和锌等金属材料，这样不仅电池的生产、使用和拆卸都非常安全，电池使用寿命终结后还可以回收材料重复使用，非常环保。
鉴于枝晶生长会降低电池使用寿命，发明团队还将金属铋及其氧化物镀在电极上以抑制枝晶生长，防止发生电池短路等严重故障，最终提升电池的使用寿命。马天一教授表示，目前水电池的循环寿命，已经和市场上的商用锂离子电池相当了。
据马教授介绍，发明团队目前已经开发出用于钟表的硬币大小的水电池原型，以及类似于AA或AAA电池的圆柱形电池。但水电池与锂电池相比，在能量密度上还存在较大差距。水电池目前的能量密度可以达到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研发新型纳米材料电极，并考虑未来改用重量更轻、势能密度更高、充电时间更快的镁离子水电池，双管齐下提高水电池的能量密度。但瑕不掩瑜，暂时的差距并不改变马教授对“短期1到3年内有望替代铅酸电池，5到10年内有望取代锂离子电池”的信心。
对此，侦碳家认为以水电池当前75Wh/kg的能量密度，已超过铅酸电池，同时又在安全性方面完胜铅酸电池和锂电池，因此先从电动汽车启停和低速动力等方面替代铅酸电池具备可行性；同时，铅酸电池考虑回收后的成本约为0.3-0.4元/Wh；而基于锌锰体系的水电池，材料和电芯成本叠加后更具成本优势。因此综合来看，水电池3年内替代铅酸电池的可能性完全存在。
至于5-10年替换锂电池的可能性，侦碳家认为有希望，但现在就下结论还为时尚早。一方面全球每年对锂电池技术研发都投入大量费用，安全性也在不断改善；另一方面水电池技术目前也远非臻于郅治，需要自我完善，有些未来发展的大方向尚且待定。比如仅正极材料就分了锰基、钒基和普鲁斯蓝类三个主流方向，且都各有优缺点，未来尚需在发展中取舍。
但对于我国，侦碳家认为有一个理由让我们必须重视水电池的发展和对锂电池的替代可能，那就是战略资源的安全性。因为锂资源在我国相对稀缺贫乏，目前超过70%依赖进口，价格昂贵；但锌资源在我国非常丰富，而且价格低廉。从避免被卡脖子的角度，侦碳家支持加速发展水电池技术，将替代可能性变成必然性。
当然，如果“水电池”未来能消除在能量密度上的劣势，即使部分替代锂电池的话，按如此巨大的市场需求和容量，“水电池”点水成银真不是梦。侦碳家也期待，科技让生活更美好。
THE END
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原文标题:水电池有望5年内替代锂电池，最安全电池如何“点水成银”？