爱学记
未来电池前景--浅谈战略学的趋势研究在科技研发上的重要性
文章探讨未来电池技术对动车组动力革新的影响，分析新能源汽车发展趋势，强调高能蓄电电池应用及绿色能源解决方案的重要性，展望电池技术突破带来的经济效益与环境安全保障。
我们通常看到的（接触式）电力机车和内燃机车,其动力装置都集中安装在机车上,在机车后面挂着许多没有动力装置的客车车厢。如果把动力装置分散安装在每节车厢上,使其既具有牵引动力,又可以载客,这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组,就是动车组。动车按动力装置分为汽油动车（用汽油机驱动），柴油动车（用柴油机驱动）和电力动车（由牵引电动机驱动）三类；按传动装置分为机械传动动车、液力传动动车和电力传动动车三类。在中国，时速高达200或以上，并使用CRH和谐号列车称为“动车组”。随着电池技术不断突破，传统的火车动力可能遭遇颠覆性的改变，未来火车很有可能利用高能蓄电电池作为大面积运用的动车动力源，充电一次可以跑上千公里甚至两千公里。中国三北风力电很有可能成为城市机车电源。加上电磁刹车系统产生的刹车充电等技术，这种未来电池所带来的低成本营运，经济效益非常明显，另一个突出的特点是为未来城市发展带来了极其可贵的环境安全保障。
此前发布的《2009-2012年中国电池行业投资分析及前景预测报告》说，“世界新能源汽车将朝着“镍氢——锂电——燃料电池”产业化路径发展。短期能够兑现业绩的只有镍氢动力电池，而磷酸铁锂电池技术的不成熟，以及工信部出台的新能源汽车准入新标准也让镍氢电池生产商看到了中短期的希望。不过，3-5年内在锂电池技术成熟后，镍氢电池市场将被锂电池逐渐蚕食”。这个电池行业投资分析及前景预测报告，作者未必掌握了电池技术的全景，这个预测依据有相当的局限性。
近年来，由于能源困局、环境困局造成的现实困境，以及军事技术运用需求，各国着力于新能源开发，因而电池技术得到了突飞猛进，世界电池技术已经进入快车道发展轨道。21世纪必然是电池技术出现井喷的世纪。
世界各国电池技术虽然在不同领域有不同的发展趋势，但“高能量密度、极低成本、热稳定、高安全性、生命周期性价比高、生命周期环境友好、无需任何冷却系统，无需昂贵的电子控制系统”是电池技术发展的基本要求。
值得一提的是，威孚高科联手德国博世研发颠覆世界现有的所有电池技术的全新概念电池技术，研发基地直接建在德国，这种技术目前市面上闻所未闻，处在绝密状态，对其国家科技部都保密。外界所能了解到的是其电池研发技术壁垒相当高，绿色环保无任何污染续航能力可超过上千公里。
由于电磁弹射技术以及核潜艇磁流体推进的军用技术日渐成熟，缺失超容高蓄能电池成为这两个军事技术运用的制约瓶颈。尤其是前者，超容高蓄能电池事实上已经成为各国绝密研究项目，这些超容高蓄能电池技术即使研究成功，也不可能被媒体曝光。尽管军用电池技术不被揭破，但更多的民用电池技术突破被媒体曝光后，让人们看到了未来电池的灿烂前景。
电池分类可以说是五花八门，本文仅就充电与非充电两大类进行简单分析。
一，充电电池
1，镍氢电池（技术成熟电池）
是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。虽然甘肃金昌的铜镍共生矿床的镍资源储量巨大，仅次于加拿大萨德伯里镍矿，居世界第二，亚洲第一。但总体而言，中国的镍资源处于相对紧张状况，对进口资源的依赖程度较高。
世界原油供应紧张，而且价格持续上涨，是政府、研究机构和企业加速开发与推广新能源汽车的直接动因。同时，国际能源环境的变化，也为新能源汽车（目前主要是混合动力汽车）登场，创造了市场条件。在发展新能源汽车上，目前来说镍氢电池技术最成熟，未来3年内仍将是新能源车的主流，之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下，5年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。电池巨头松下和三洋也均认为，锂离子动力电池不可能在2～3年内取代镍氢动力电池，主要原因是镍氢动力电池便宜安全，已经达到规模化生产。随着动力电池技术井喷式发展，镍氢动力电池正在遭遇突然被颠覆的困境。
2，锂离子电池（存在污染争议电池）
传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的问题。目前，越来越多的汽车厂家选择采用锂电池作为新能源汽车的动力电池。
锂电池具有以下优点：体积小、质量轻、工作电压高（是镍镉电池、氢镍电池的3倍）、能量比大（可达165WH/Kg，是氢镍电池的3倍）、循环寿长、自放电率低、无记忆效应、无污染、安全性好等优点。
当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力锂电池汽车，如美国福特、克莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国Courreges、Ventury等。而国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动力和纯电动汽车中搭载动力锂电池。
3，铝-空气电池（机械动力首选电池）
2014年亚特兰大先进汽车电池会议上，美国铝业公司与以色列Phinergy公司就Phinergy铝-空气电池的进一步研发问题签订了联合开发协议。美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量。Phinergy铝-空气电池可以有效提高电动汽车的续航里程，此次联合开发的目的就是为了尽快地推动铝-空气电池的商业化进程。
4，铝离子电池
2015年4月6日，国际顶级学术刊物《自然》在线发表了湖南大学教授鲁兵安作为第一作者的论文《快速充放电铝离子电池》。鲁兵安等人用石墨作为正极材料，并用一种相当于盐溶液的离子液体作为电解液，从而解决了铝电池研究在材料上的瓶颈问题。过去在iphone等使用锂电池的手机上，需要1个小时才能完成的充电量，在该铝电池上1分钟即可完成。铝离子电池包含一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极，由于三维石墨优良的导电性能和巨大的比表面积，能够极大的缩短电池的充电时间。铝成本低，可燃性低，且具有高电荷存储能力，因此一直是用作电池颇具吸引力的材料。在过去几十年，研究人员致力于研发商业可行的铝离子电池，却一直以失败告终，可充电铝电池始终处于概念阶段。其中面临的一个重要挑战便是找到在经历了反复充电和放电后仍能够产生足够电压的材料。
高效耐用、超快充电、高安全性、可折叠、材料成本低、灵活和较长寿命是铝电池的优点，适合小型电子设备、电力网、电动汽车等。相比于现有研发锂电池，铝电池寿命更长。普通锂电池的循环寿命一般为300次，而实验证明，铝电池循环7500次后，容量几乎没有衰减，这相当于每天充电两次，20年后电池依然经用如初。
5，水锂电池（未确定性电池）
水溶液锂电池体系，是由复旦大学教授吴宇平课题组的一项重磅研究成果。研究成果刊发于《自然》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci.Report)。这项关于水溶液锂电池体系的最新研究，可将锂电池性能提高80%。电动汽车只需短暂充电即可行驶400公里，这种电池成本低廉，安全不易爆炸。快充优异性能——10秒钟充60度电，就可以让安装了此种电池的电动汽车跑400公里！
高性能水锂电池从公布的数据来看，能量密度能够得到大的提升，循环性能也没有恶化，使用水系电解液也使安全性得到一定的保障，从这些方面看，水锂电池代表了锂电池发展的方向。水锂电池目前也仅仅是在原理上获取了一些突破，同时该原理也在实验室得到了相关的验证，但是想必大家都明白，所有的科学发明，从实验室到产业化并非一件容易的事，同时也存在的一系列的潜在问题需要去解决。
吴宇平介绍说：从设备制造研发，到材料制备工艺优化，到测试环节，每一步都要尽可能完善，这不是两三年的事儿。未来的合作方有打“持久战”的准备，不要盲目乐观。
从报道的数据看，这种电池现在还只是实验室的一种研究，这种实验室级别产品能否经受起放大产品的考验还是未知数，尤其是在放大产品后的整体性能是否还能满足循环、安全性现在都还不可知，存在技术上的不确定性。
水锂电池从理论上讲是存在的，负极用金属锂，电解液用氢氧化锂等水溶液，选合适正极是能做成电池的。而产业化之路应该还很漫长，因为锂做负极时在充放电循环产生枝晶引发安全问题已经几十年都没解决，而且充放电电流密度过小，金属锂很难克服在水溶液中发生的化学反应。
6，钠—空气电池
钠—空气电池也属于未来新能源前瞻电池，作为未来能够挑战锂离子电池市场的竞争者，钠—空气电池这个潜力新星目前并不为人所知。据最新消息称，德国吉森大学研究人员研究出一款可替代锂电池的新电池技术，这种新储能装置便是钠—空气电池。虽然它目前还未投入进行生产，但是进过研制出的电池样品已经通过试验检测，是需通过成品试用与相应改进，相信不久之后它便能造福社会了。
钠—空气电池类似于锂离子电池，以空气中的氧气作正极活性物质，金属钠为负极活性物质。使用多孔活性碳电极作正极，用金属钠取代金属锂来作负极。其外形可延展性强，类似于弹簧。
钠—空气电池在电压2.2V的放电过程中，碱金属钠在碳材料的阴极上与空气中的氧元素结合成稳定的过氧化物，在充电过程中，钠离子又被还原成金属钠并释放出氧，充放电过程的效率达到80%—90%，理论电能密度（Electric Energy Density）可以达到1600Wh/Kg。锂电池的锂电极可以达到更高的电能密度；钠—空气电池的钠与氧结合生成的过氧化物的电化学过程更加稳定。
7，锂-空气电池（目前最大能量密度的电池）
锂空气电池是一种用金属锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。其工作原理是阳极的锂释放电子后成为锂离子，随后锂离子穿过电解质材料，在阴极与氧气以及外电路中的电子结合生成氧化锂或者过氧化锂，并留在阴极。
由于锂空气电池的阴极主要以多孔碳为主，重量很轻，并且氧气可以从环境中获取而不用保存在电池里，所以锂空气电池具有极高的能量密度。理论上，其质量能量密度可达5210Wh/kg（包括氧气质量）或1140Wh/kg（不包括氧气质量），这是目前普通锂离子电池的100倍。如果在电动汽车中使用可更换卡盒的方式更换正极水性电解液和补充负极的金属锂，则可实现连续行驶且无需充电等待时间，之后还可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，让金属锂反复使用。但如今锂空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何解决在经过了多次的充放电过程后电池容量下降的问题。
这是一个非常有前景的领域，很有可能在不改变电池体积和重量的情况下让我们的笔记本电脑可以依靠电池连续使用一周或者让电动汽车可以续航1000km以上。
8，钒电池（有可能改变未来能源格局的大规模运用的电池）
全称为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，缩写为VRB），是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池不是普通的电池，而是能够将大型风力或太阳能等发电厂的电力储藏起来的大型储能电池，也可以形象地称为“电力银行”。制约国内风力和太阳能等可再生能源发电的一个根本原因是生产过程的不稳定性，这直接造成大量新能源电力浪费甚至被抛弃，进而影响了可再生能源的发展。据不完全统计，2013年，我国弃风损失的电力高达200多亿千瓦时，足够四川全省用一个多月。
南非钒储量约为1250万吨，世界第一。不过也有认为中国钒储量占全球钒储量的35%，居全球第二位，钒产量占到全球产量的48%，2010年我国钒产量达到6.15万吨，优越的资源禀赋为我国发展钒电池产业创造了得天独厚的条件。与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势，成为规模储能的首选技术之一。2012年，美国制定的储能技术发展规划已经将全钒液流电池列在首位。钒电池符合大规模储能电池的三个基本要求：高安全性、生命周期性价比高及生命周期环境友好。储存一度电，大约需要40多升的钒电解液，其中包括9公斤的五氧化二钒。
与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，主要优点如下：1．功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率。目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。2．容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。3．效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。4．寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。目前商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年，充放循环寿命超过18000次，远远高于固定型铅酸电池的1000次。5．响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒。6．可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。7．安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高。8．成本低：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。9．钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染，维护简单，运营成本低。
作为当前储能的首选技术之一，全钒液流电池储能系统安全性高，在常温常压下运行时，电池系统产生的热量能够通过电解质溶液有效排出，再通过热交换排至系统之外；而且电解质溶液为不燃烧、不爆炸的水溶液，系统运行安全性高。
正因为全钒液流电池储能系统拥有诸多优势，全钒液流电池技术未来在大规模储能行业具备无可估量的发展潜力在于有可能将改变未来的能源格局。
在我国关于零电阻效应和迈斯纳效应的超导研发中，超导材料经营经历了低温到高温的研发，第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好。超导产品品类逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。由于超导技术壁垒高，中国某些方面与国际尚有一定的差距，但部分领域的研发已经处于国际先进水平。由于超导技术的突破运用，风力发电太阳能发电通过大规模钒电池储能再转到其它高能量密度电池上，再大量运用于民用不再是梦想。
有学术研究认为硼化钒-空气电池是世界上最高储电能力的电池，但没有得到相关机构认定。暂且只能相信未来钒电池可以走出能量密度困局。
9，锂硫电池
当太阳能飞机2008年首航时，就使用了锂硫(li-s)电池。白天时，太阳能飞机上的光伏发电板(photovoltaic panels)不仅为飞行提供能力，而且为其锂硫电池充电，以维持晚上飞行所需的动力。Sion Power是首批从事锂硫电池研发的公司之一，该公司2010年获得美国政府500万美元的资助，2012年获得德国化工巨头巴斯夫5000万美元的投资。Sion Power称，锂硫电池的能量密度最终能达到每公升2.6千瓦时。
10，其它电池
还有镁-空气电池，锌-空气电池，钙-空气电池，等等。
在这里通过简单比对，可以发现铝-空气电池最适合汽车动力电池。
锂-空气电池，充放循环寿命300次，能量密度13000Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到2000千米以上。
铝-空气电池，循环7500次以上，能量密度8100Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到1600千米。
锂硫电池，充放循环寿命300次，能量密度2600Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到600千米。
衲-空气电池，充放循环寿命？次，能量密度2677Wh/Kg ，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到700千米。
钙-空气电池，充放循环寿命？次，能量密度4100Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到800千米。
镁-空气电池，充放循环寿命？次，能量密度6462Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到1200千米。
锌-空气电池，充放循环寿命？次，能量密度1350Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到270千米。
钒电池，充放循环寿命超过18000次，能量密度125Wh/kg，普通规格汽车动力电池续航里程可以达到？千米。
二，非充电电池
1，燃料电池
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。 近年来燃料电池（FC）技术的突飞猛进使得氢能的梦想在21世纪开始变成现实。而以氢为动力的燃料电池汽车（FCV）得到了世界各国政府和企业的高度重视，并且取得了重大进展，预计在未来的5--10年内FCV将正式进人市场，以加氢站、输氢管道建设为标志的“氢经济”初露端倪。相比于充电电池，燃料电池在很多方面具有较强的优势，但在超级核电池面前就差远了。
2，超级核电池
科学家们在很早之前就已经发现，当放射性物质衰变时，能够释放出带电粒子，如果采取一些特殊的办法，就能够把带电粒子驯服归拢起来，让它们最终形成电流。后来科学家依照这个原理发明了大型的核电站和核电池，用于工业和航天业。遗憾的是，因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体，而且由于辐射的作用，所以固体半导体很快就会受损，为了降低受损程度，核电池就必须做得足够大。
科学家把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体，这样不但能完成收集带电粒子的使命，而且还可以大幅度瘦身。按照这个思路，实验室已经成功研发出了微型核电池，其边长为19.5mm，厚为1.55mm，仅比1美分硬币大一点点，但其电力却是普通化学电池的100万倍，只需要一个硬币大小的电池，就可以让我们的手机几百甚至上千年不需要充电，核电池的优点显而易见。但是目前的核电池有着致命的缺点，就是一旦破裂会造成放射性污染，所以必须妥善防护。电动汽车是环保型汽车发展的一个方向,电动汽车所用的电池多为化学电池,体积庞大,增加了自身的负载,且也同样存在充电后使用时间短和寿命短的问题。
当前,世界上有部分科学家大胆地提出在电动汽车上使用核电池的设想。随着深海等领域用核电池的成熟,核电池必将在汽车这一能源大户中得到应用。因此,可以预计在21世纪科学家们将会在电动汽车上应用一种长期工作不需维修、高效大功率、小体积、低成本的核电池。
结束语：抢占科技研发制高点，是国家经济发展、国家强大的根本出路。
从分析对比可以看出，钒合金电池、锂硫电池、铝-空气电池、锂-空气电池已经成为当今世界电池领域的耀眼明星，必将给经济发展带来强大的积极效应。也可以断定，在未来的大国角逐中，谁能够在超级核电池技术上最先突破达成磁流体推进技术、电磁弹射技术等的完美运用，谁就能最先控制海洋军事力量的格局；谁能够掌握大量的新能源等科技，谁就能够掌控能源格局，甚至掌控世界经济格局。
当雾霾逼临我们身边的时候，恶劣的环境开始侵袭我们的生命安全，许多人茫然若失。有人归咎于公有制的国企，也有人归咎于产能技术落后，实际上，都没有扯到正题。雾霾并非天灾而是人祸，其原因在于中国生产力相比于世界发展水平，正在走向衰退。与前苏联一样，中国经济改革严重冲跨了生产力水平正常的前进速度，直接表现就在环境的恶劣上。一个国家，第一生产力绝不是邓小平所说的是科技，而是毛泽东所说的人。中国由于缺失政者的思维能动作用，导致了第二生产力-科技创造和运用的困局。
从未来电池技术研发上分析，我们完全明白，当一个国家遭遇全面环境恶化，运用科技快速解决困局就是极其必要手段。淘汰落后产能，一个国家需要国企才能担当大面积主导作用，技术研发需要国家集中力量才能突破，相关科技才能得到广泛性推广和运用。
战略学，是研究战争及全局性的战争指导规律的学科。战略学其实就是战争学，它绝不只限于是军事科学领域的战争理论和战略理论。在政治领域、军事领域、经济领域、科技等领域，战争形式和战争意义不尽相同。
趋势研究作为战略学的最高端研究，包含了政治预测、军事预测、经济预测，其实还包含科技研发的趋势研究或者叫科技研发预测。而环境预测从属于科技研发预测，中国出现相反，在政界出现所谓的倒逼一词表现出恬不知耻和昏庸无能，就因为靠环境倒逼科技研发运用的消极作为，才会造成雾霾等恶劣的环境侵袭人民生命。
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