3. 动力电池产业链包括上游的锂矿和钴矿、中游的电芯和电池模组企业，以及下游的终端应用生产商。

　　最近在了解新能源汽车的相关知识，因为我的第一辆车斯柯达已经用了10年了，正在考虑要不要换。当时花了十五六万，这个价位放到现在，已经可以拿到配置和性能很不错的国产新能源品牌了。之所以考虑电车，主要是上次亲自体验了一把电车加速的推背感和内饰，深刻感觉：这才是未来啊！

　　新能源汽车，最核心的当然就是电池，更准确的说，是锂离子电池。现在电动汽车厂商，主要的技术方向，就是发展续航更大、更安全的动力电池。因为电池可是占到了电动车成本的40%，是利润最高的部分。有一个观察：现在不管是民用还是军用，凡是用到电池的产品，无论是电动汽车的磷酸铁锂、三元铁锂电池；手机、平板的钴酸锂电池，还是先进常规潜艇的蓄电池，全是用的锂离子电池。

　　可以说正是安全、可靠的商用锂离子电池的出现，才实现了电子设备的便携化，开启了如今的消费电子、移动通信和新能源汽车产业，奠定了打造无线互联社会的基础。反正，只要看看你日常生活所接触的电子产品，无一例外，命都是锂离子电池给的。不然你现在刷手机，不是抱块板砖就是在玩包。

　　因为最近在看新能源汽车，所以详细了解了一下锂离子电池的发展史，也请教了身边从事相关工作的朋友，觉得非常有意思：从基础科学角度来说，锂离子电池的发展其实就是人类如何驯服“锂”——这个自然界最活泼的金属元素之一的过程，从中可以体会到科学探索的乐趣，深刻明白科技进步才是社会发展的根本动力。所以这次就从技术和产业两个角度说说锂电池。

　　我们高中时就学过，世间万物都是由元素构成的。目前人类确认发现的元素总共有118种，包括20多种人造元素。我们的大千世界，不过是由不到100种元素构成的。那么这些千奇百怪的元素都是怎么来的呢？一切当然还得从宇宙大爆炸说起：137亿年前的宇宙大爆炸形成了物质、能量和时空，包括质子在内的各种粒子出现。

　　当宇宙形成约38亿年后，第一个质子捕获了一个电子，天字第一号元素——氢诞生。在引力作用下，氢原子不断聚合在一起形成恒星，并在内部上亿度高温高压环境下发生聚变反应：4个氢原子聚合成一个氦原子、氦聚变成锂、锂聚变成铍、铍聚变成硼，以及之后原子序数更高的元素，一直聚变到铁。太阳每秒消耗6亿吨氢，聚变成5.96亿吨氦，这个过程中的质量损失转化成能量，以光和热形式释放。其中的400亿分之一被地球接收，开启了万物演化的史诗进程。

　　但需要注意的是：恒星聚变不会形成铁以后的元素，铁（原子）核是最稳定的，是构成行星的内核。铁往后的元素，聚变需要吸收能量，只有超新星爆发才能产生，瞬间聚变出包括铁以后的所有重元素，然后抛洒到宇宙中。因此铁核聚变也被称为“恒星杀手”，恒星一旦铁了心想死，拦都拦不住，是真铁了心！

　　而这94种元素就构成了宇宙万物、大千世界，这些就是物理学最基础，也是最根本的研究对象；物质、能量，进而构成了原子和分子，研究原子、分子运动和相互关系的就是化学。有机大分子又组成了蛋白质，蛋白质是形成生命的物质基础，这有了生物学。人类诞生后创造了文明，进而发展出了历史、、经济、哲学、文学、艺术等人文学科。

　　所以人类的知识体系，并不是独立割裂存在的，互相之间存在严密的逻辑关联和严格的先后顺序。而在所有学科之上，研究万物之理的物理学是一切的基础，应用科学的发展水平归根到底要取决于基础物理研究。

　　这一点，看过《三体》的观众应该深刻明白：三体人能操控十一维中的九维，利用强相互作用材料制造出绝对光滑的水滴，无伤团灭人类3000艘恒星级战舰，毁灭你与你何干！这里说下四种基本作用力：强力、弱力、电磁力、引力。强力就是原子核内部，克服质子之间的强大斥力，紧密结合为原子核。用这种材料打造出的水滴是宇宙中最坚硬的物质；弱力使元素发生衰变；电磁力就是带电粒子的相互作用；引力就不用多说了。

　　目前，我们人类掌握的能量开发形式，大部分都只是电磁力的框架内。具体而言：一是化石燃料燃烧，通过热机转换的机械能，再转换为电能（发电）。另一种是利用电子从还原剂（负极）向氧化剂（正极）转移过程中产生的电能，也就是电池。这两者在化学层面都是氧化还原反应，区别在于只是前者剧烈不可控，后者可控，所以电池放电可以理解成一种“缓慢可控的燃烧”，而在物理层面都只不过是利用核外电子排列组合变动，所释放的“边缘能量”。

　　而基于其他三种作用力的能量开发：引力，大概只有引力弹弓和水力发电；弱力是核电池。最有希望的应该是强力：在飞米的尺度上，克服原子核内的库仑斥力，发生核聚变。不可控的是氢弹，另一种就是“永远50年”的可控核聚变。所以人类把一种物质发挥到极限的方法，就是引爆它。而驯服它的过程，就是在可控的情况下，把能量释放出来。

　　好啦，说了这么一大堆，就是为了从基础物理的角度让大家明白，目前我们所掌握的能量形式还很有限，人类不过是生活在一颗小星球上的高级灵长类，通过烧开水获得能量，大规模应用的也就化石燃料和电能。

　　电的发现其实很早，微观层面就是表现为：电子从一个高能量状态跃迁到低能量状态，释放能量从而产生电能。电的特点是好用不好存，我们日常用电，几乎都是现发现用，在发电站发电，几百公里远距离高压输电，不仅麻烦而且耗损巨大。

　　如何把电能更方便地保存起来，移动使用，一直是个大难题。所以，如果能在电能的储存上取得突破，不说是一场能源吧，但至少也是个重大技术进步。我觉得可以类比人类的武器从青铜进化到钢铁，但如果要出现类似冷兵器到热兵器的性进步，应该只有可控核聚变了。而目前最有希望让人类在电的存储上，取得阶段性进展的就是锂离子电池。

　　电池的故事还得从一只倒霉的青蛙说起：1786年，意大利医生伽伐尼捕获了一只离家出走的旅行青蛙，对其进行解剖。他发现当手术刀的刀尖碰到蛙腿上外露的神经时，蛙腿会剧烈痉挛，由此发现了生物电。

　　但这并不是重点，关键的是，此后围绕相关现象的研究，让电池原理得以被发现。1800年，物理学家伏特受青蛙实验启发，把金属锌板和铜板叠在一起，中间夹上多层盐水浸泡过的布片，经过反复多层叠加，产生了明显电流，由此发明了世界上第一种电池——伏打电池。

　　这种电池的原理就是利用不同活性金属，发生氧化还原反应时产生的电子流动：活性更高的锌在电解液中失去电子，发生氧化反应，成为负极，较稳定的铜，几乎不会分解，成为正极。当两者被导体连接时，电子通过外部电路从锌流向铜，形成回路产生电流。

　　从此，人类对电的认识，就是不再只是摩擦皮毛的静电、雨中的雷电和生物电，而是能控制流动的电。伏特由于他开创性的工作，奠定了现代化学电池的结构基础，并且提出了电位差理论，就是有电压就会有电流，所以电压单位就以他的名字命名了。

　　但伏打电池工作时会产生氢气，1836年，英国科学家丹尼尔进行改良，发明了更优异的锌铜蓄电池：负极的锌放在硫酸锌溶液中，正极的铜放在硫酸铜溶液中，并在两者中间加入盐桥。这个电池的原理，大家高中化学应该都学过吧，负极发生氧化反应，失去电子，通过外部电路进入硫酸铜溶液，与其中的铜离子发生还原反应产生金属铜，正极重量增加。

　　此后化学电池的发展，其实就是用不同活性的金属和金属化合物，把正负极材料替换迭代。1850年，铅酸电池被发明，负极为铅，正极为铅氧化物，以硫酸为电解质。

　　这种电池结构简单，而且能够充电循环。这里说下充电和短路的原理：电池本质上是利用化学反应产生能量，遵循能量守恒定律，接入外部用电器消耗了就能实现平衡。如果没有用电器，直接回路导通，能量将无处可去，瞬间变成热能（多看一眼就会爆炸）。一旦内部的化学能量消耗完毕，电池就没电了，充电就是通入外部电流将移动到正极的电子重新归位，循环使用。

　　铅酸电池之后，人类又发明了镍镉电池，就是你们小时候玩四驱车用的充电电池。但由于化学特性，如果没把电用完就充电，会发生“镉中毒”现象，电池会“记忆”了“最低电量”，导致下次充满电量缩小，小时候家里长辈应该都告诉过你吧。而且镉是重金属，会造成环境污染，所以现在基本被淘汰了。此外还有碱性电池，因使用碱性电解液而得名，就是平时最常见的那种一次性电池（南孚）。

　　而在这些电池种类中，还是铅酸电池因为成本低、安全性好，又能充电，在被发明后的100多年内，成为人类使用最广泛的储能电池。车载蓄电池、常规潜艇、坦克、电瓶车，都曾经采用铅酸电池。但是，它太重了，59坦克用的铅酸蓄电池，四块，每块40公斤，坦克兵三大苦，除了拉履带，擦炮膛，最恐怖就是拖电瓶，四个人要把总共320斤的蓄电池从电瓶间弄到几百米外的车上，那个酸爽就别提了。

　　我十多年前骑的老式电瓶车，用的也是铅酸蓄电池，隔一两天就要提着30多公斤的电池，吭哧吭哧爬到三楼充电，健身。

　　那相信这里你也看出铅酸电池的缺点了：体积重量大，能量密度低，充电次数有限。但人类对能量的追求是永无止境的！既然电池的原理就是利用活性金属发生氧化反应失去电子，那只要找到更活泼的金属，不就能造出能量更大的电池了嘛。

　　元素的金属活泼性表现为失电子的能力，由于原子的核外电子排布是由内而外，充满一层达到稳定态再到下一层，最外层电子数越少，就越容易失去。同一周期的元素，电子层数相同，从左往右，最外层电子数增加，失电子能力逐渐减弱。所以同一周期从左往右，元素的金属性越来越弱，非金属性越来越强。

　　而同一主族的元素，从上到下，最外层电子数相同，但电子层数依次增加，最外层电子离原子核越来越远，失电子能力越来越强。

　　所以活泼金属全部都聚集在元素周期表最左列——锂钠钾铷铯，这些暴脾气的金属甚至可以直接与水发生剧烈反应（多看一眼就会爆炸）。其中最活泼的就是电子层数最多的那个，也就是表格左下角的铯。其实理论上比铯还活泼的金属也是存在的，就是往下一格的钫，但由于钫是放射性元素，所以铯被公认是世界上最活泼的金属。

　　既然铯最活泼，那为什么现在没有铯离子电池呢？因为锂最轻啊！锂钠钾铷铯，都是电离出一个电子，但锂的原子质量最小，宏观性质就表现为能量密度最高。在所有的金属元素中，锂因为最少的最外层电子数和最轻的原子质量，再加上储量和制备成本的关系，就成为了高能量电池的最优选择。

　　当然按照这个逻辑，锂往上还有比它更轻的氢，氢是整个元素周期表中，最简洁、能量密度潜力最高的存在。基于“氢”元素的能量开发，除了我们熟知的可控核聚变，还有就是被认为最有希望取代内燃机的动力系统——氢燃料电池，这个有机会再讲。所以人类未来的能源希望，其实就是如何驯服氢元素。而且氢和锂，我全都要。

　　既然路径清晰，那就开搞啊？但是，要把理论落到实处，变成实用的产品和商品，就会遇到成本、安全、寿命等一系列现实难题。讲到这里，我们的主角锂离子电池才正式出场。之所以前面要说这么多，因为只有从最基本的原理入手才能让大家明白：电池技术说到底，就是利用不同元素的核外电子排布，以及电荷自由度所表现出的不同性。