「材料的未来」 全世界电动汽车的终极选择：电池

善阳国（선양국的音译）是韩国汉阳大学能源工学系教授，早在电池市场繁荣之前，他就从事充电电池的材料方面的研究，是韩国充电电池方面的权威。在他20多年的研究生涯中，仅关于充电电池的论文就发表了约630多篇。国际信息数据研究分析公司Claribate Analytics在11月18日发表的论文被引用次数超过1%的研究人员(HCR)中，善教授在化学和材料科学两个领域榜上有名。善教授对记者诙谐地说：“我的内燃机汽车已经开了23年了，现在还非常结实”，“如果电动汽车想取代这台内燃机车，就得把它目前只有10年的寿命再提高才行”。

据全球市场预测机构（BNEF）发表的报告显示，仅2019年，全球就销售了约210万辆电动汽车。虽然目前销售的汽车中电动汽车所占的比例微乎其微，但报告预测，到2040年销售的汽车中，将有58%的是电动汽车。

随着电动汽车市场的快速成长，充电电池产业将成为未来的增长点。韩国的三星和SK、LG、乐天、浦项钢铁已经开始生产充电电池或者是用于充电电池的核心材料。在韩国的10大企业中，已经有一半的企业投入到了充电电池产业之中。当前，中国、美国、日本也开展了竞争，谁只有开发出高性能的充电电池，他才能占据未来市场。根据韩国电池市场调查企业SNE的调查数据预测，2021年韩国的电池市场规模将达到64万亿韩元。

研究人员正在用电子显微镜观察阳极材料的粒子形状。

○ 决定充电电池性能的“阳极材料”

韩国的科学技术信息通讯部为了取得世界水平的成果，成立了10个‘全球尖端事业团’，其中的‘混合链接基础未来材料研究团’就是运用混合界限面技术研究电动汽车的电池材料的。善教授的研究领域是‘阳极材料’，它是充电电池的核心材料。

充电电池与用后扔掉的一次性电池不同，它是通过阳极和阴极中发生的原子氧化和还原反应实现充放电的电池。因为通常使用锂元素，所以也称之为“锂离子电池”。

锂离子电池的内部有电解液，离子可在其中游离，电解液中的阳极和阴极之间设有晶隔。放电时，把从阴极向阳极供电的装置连接起来，阴极中的锂原子被离子化后就会释放出电子流入该装置，从而形成电流。同时，通过电解液流向阳极的锂离子与经过装置游移过来的电子相结合，又重新回到锂反应堆。在充电时，这个过程会反过来进行，回到初始的状态。

这时形成阳极的物质就是“阳极材料”，形成阴极的物质“阴极材料”。电动汽车要想通过一次充电达到内燃机汽车所能行驶的距离，阴极材料上就要捕获尽可能多的锂原子，而阳极材料必须能够抓住锂离子。虽然通过增加阴极和阳极材料的量就可以满足这个条件，但由于电池重量的增加，电力消耗也会增大，其结果就会被相互抵消。

由于这个原因，对于充电电池的研究实际上就是阳极材料和阴极材料的研究，其中阳极材料极其重要。现在使用的阳极材料每克1小时的电流流量是200mAh，阴极材料是每克360mAh左右，“阳极材料的性能不如阴极材料，所以要在阳极材料上面下更多的功夫。搞定阳极材料要比阴极材料困难得多。阴极材料主要是由碳构成的，价格便宜，到处都能找到；而阳极材料则是把镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、铝（Al）等材料和锂混合而成。

电池的名称也是以三种物质中含量较高的物质而命名，松下的阳极材料用的是NCA（锂镍钴铝），LG则是NCM（锂镍钴锰）。各家公司所采用的主要成分不同的原因，就是根据不同成分的含量，电池的性能会千差万别的缘故。如果镍含量高，电池的容量就会增大；如果锰含量高，电池的造价就低，在发热方面就会更安全；钴很贵，如果使用的比率大，电池的寿命就会增加。

○ 在材料的临界上开发“浓度搭配型”的阳极材料

要想生产出能够长距离行驶的电动汽车，按说只要提高阳极材料的镍含量就可以实现，但这样一来又会引发出几个附带的问题。最具代表性的就是，充放电次数越多，电池的容量就会越小。

如果将镍的含量提高到90 -95%的话，容量就会急剧减小。产生这个现象的原因存在于阳极材料的结构上面。圆形的阳极材料粒子的截断面就像被刚砍下来的树枝的断面一样光滑。但是经过反复充放电以后，它就如同海面上的浮冰出现了裂缝，被撞成了碎块。渗透到这些碎块之间的裂缝中的电解质会和反应强烈的镍发生反应，从而降低了阳极材料里的镍的含量，随着裂缝的不断产生，造成了阳极材料体积的持续减少。因此，锂离子进入的空间就会产生不足，电池容量不可避免地减少了。

可是究竟如何克服这个问题呢？善教授拿堆放长条的木头和圆石头打了个比方，‘把长条的木头堆放在一起时，由于整体结构比较结实，所以不会被轻易推走和移动；可是如果把一些圆石头堆放在一起时，可能风就能把它吹倒’。利用这个原理做成的阳极材料就叫做“浓度搭配型”。“浓度搭配型”的阳极材料是利用把决定电池容量的镍聚集在中心，把左右电池寿命和稳定性的锰和钴包裹在其外面的方法做成的。做成这种形态的阳极材料即使充放电时产生裂缝，它也会裂成细长的碎片。就像长木头那样，它是很牢固的，阳极里的镍的损失比原来的要少得多。结果就是，虽然阳极材料的成分相同，因为使用了“浓度搭配型”的方法，容量减少现象就会大大得到改善。

善教授在2005年开发出了第1代“浓度搭配型”的阳极材料，以后又开发出了第2代和第3代，在2015年研制成功第4代“浓度搭配型”的阳极材料。随着一代一代向前推进，镍、锰、钴之间的界限也逐渐明朗，通过不断变更，进一步提高了电池的性能。善教授表示：“在电动汽车上如果使用“浓度搭配型”的阳极材料制作的电池，充一次电就可以行驶600公里以上，即使用上10年，电池的性能也能保持在90%以上”。

“浓度搭配型”阳极材料的稳定性也在不断提高。把这种电池充满电，用尖锐的工具将其刺穿，然后观察它的温度变化。结果温度仅上升到了70度，而且没有起火。如果这种情况发生在一般电池上，温度很快就会超过400度。

当前，利用“浓度搭配型”阳极材料制作的电池已经用在很多电动汽车上。这项技术在韩国注册的专利有5项；国外注册的专利有1项；在韩国申请的专利有5项。善教授对记者说，“要想探明浓度搭配时长条开裂的原因，今后还要进行更多的研究”，“为了让电动汽车的行驶距离仅次于内燃机汽车，电池产业一定要走在前面”。

韩国汉阳大学能源工学系的教授研究团队