由于鋰離子電池能量密度的限制，科學界和業界不斷探尋其它電池技術，關于電池技術的分析預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。

本文介紹了卡內基卡梅隆大學的Venkatasubramanian Viswanathan教授團隊以科研論文數量為依據對Li-S、Li-Air、Mg-ion、 Na-ion等電池技術的發展階段進行了定量的分析，并以此為基礎繪制了這些電池技術的Hype Cycle。

寫這篇文章的另外兩個目的：

1）他山之石可以攻玉，成熟商業分析工具在科研上也許有想不到的作用。

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

Hype Cycle

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

一項新技術的Hype Cycle 可分為五個階段：

1，技術誕生的觸發期（Innovation Triger）

一項潛在的新技術突破因媒體過度的渲染而廣而告之，但并沒有成熟的產品以及明朗的商業化預期。

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

高的關注度推動技術的發展，一些公司開始進入這一領域。

3，泡沫破裂的幻滅期（Trough of Disillusionment）

由于技術缺陷或不成熟導致產品無法普及，公眾的關注度下降，一部分投資開始撤離。

4，穩步爬升的復蘇期 （Slope of Enlightenment）

由于技術和應用場景的逐漸成熟和完善，重燃市場的興趣，產品應用開始普及。

5，實質生產的成熟期 （Plateau of Productivity）

技術的潛力和盈利能力被市場認可，產品和市場均走向成熟。

Fig. 1: Gartner Hype Cycle

很顯然，經過多年的演進，鋰離子電池已經進入了成熟期，催生出了一個蓬勃的新產業，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遠低于Moore定律中集成電路上可容納元器件數目的每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，如Li-S、Li-Air、Mg-ion、 Na-ion等開始進入人們的研究視野。卡內基卡梅隆大學的Venkatasubramanian Viswanathan教授團隊[1]，創新性的采用Hype Cycle的分析方法，對這些電池技術的前景進行了分析和預測。

電池技術的Hype Cycle

Viswanathan教授統計了這些電池技術從1996年到2014年發表的論文數量，采用了數據擬合的方法對之進行分析。

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

Table 1. 電池技術的論文的指數增長系數及Hype階段

以此為依據，繪制出了這些電池技術的 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中唯一一個跨越泡沫破裂幻滅期的，正處在穩步爬升的復蘇期；

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的觸發期。

Fig. 2. 不同種類電池技術的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。當然，如果將O2的質量計算入內的話，反應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體系，鋰空氣電池需要從外界補充O2參與電池反應（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電池的發展：

1，循環壽命低。電解液的分解產物在正極表面形成了惰性層，減少了正極可供電池反應的比表面積。同時，也會在負極鋰金屬表面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。鋰空氣電池反應生成的Li2O2 （或者Li2O）會堵塞正極的空隙結構，導致放電截止。

3，鋰金屬負極鋰枝晶

4，廉價催化劑的開發

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合了燃料電池和鋰離子電池的缺點，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。技術的前進總是曲折進行的，量變不一定會導致質變，但沒有量的積累，質變也就無從談起。最近朋友圈被Nature上的一篇關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2500 Wh/kg，遠高于現階段鋰離子電池的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。但現階段鋰硫電池還有較多的技術難題亟需解決。

1，電池反應中間產物多硫化合物Li2Sx (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，而且會造成負極的腐蝕，導致電池容量的持續下降，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進行，由此導致鋰硫電池較高的自放電。

2，正極膨脹高達80%，嚴重影響了電池的循環壽命。

3，正極硫和電池反應負極產物Li2S的導電性差，限制了電池的倍率性能。

4，負極鋰枝晶。

如果大家想進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，建議參看Nature Material 2010年關于這兩種電池技術的綜述文章[3]。

Hype Cycle之外

作為一個鋰電的從業者，筆者更相信技術漸進式的革新，而不是忽如一夜春風來式的革命。從鋰離子電池的發展過程來看，每一次進步都帶來鋰離子電池應用場景的擴張。相較文章中提及的電池技術，硅負極以及固態鋰離子電池的也許會更快的實現產業化。

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極、固態電池、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：

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).