距離鋰電子電池革命僅余10年?如何應對電動汽車大規(guī)模發(fā)展?

早在去年出版的《自然》（Nature 559, 467-470 ）雜志上，一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余10年》（Ten years left to redesign lithium-ionbatteries）的文章指出，鋰離子電池性能和價格的演進速度正在放緩。如果不加大對基于儲量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究，電動汽車的大規(guī)模發(fā)展將受到限制。

電動汽車需要功能強大、重量輕、價格實惠的電池。最好的選擇是商業(yè)化的鋰離子電池——它們相對緊湊和穩(wěn)定。但它們仍過于笨重和昂貴，無法廣泛使用。

二十年來，可充電鋰離子電池的性能穩(wěn)步提高。電池組所儲存的能量是原來的三倍多，從每升200瓦時(Wh - 1)增加到700瓦時(Wh - 1)；成本也下降了30倍，降至每千瓦時150美元左右。但是，這仍高于美國能源部設定的每千瓦時100美元的負擔能力目標。一輛電動汽車(50-100千瓦時)仍需要負載重達600公斤左右的電池，占用500升空間。

另一方面，隨著傳統(tǒng)技術接近基本極限，技術進步的步伐正在放緩，因為在電極材料晶體結構的間隙中可以儲存的電荷量已接近理論最大值。研究人員預計，接下來市場的增長，并不會大幅降低價格——因為市場已經很大了。

研究人員警告說，必須盡快找到鈷、鎳和其他稀有金屬的替代品，以滿足電動汽車電池日益增長的需求，因為它們的稀缺正在推高價格:在過去兩年中，鈷、鎳和其他稀有金屬的價格翻了兩番，從每公斤22美元漲到了每公斤81美元。

汽車制造商和政府預計，到2025年，每年將生產1000萬到2000萬輛電動汽車。如果每個汽車電池需要10公斤的鈷，到2025年，電動汽車每年需要10-20萬噸的鈷——這是世界目前產量的大部分。同樣地，每年需要40-80萬噸鎳，占今天所用金屬的20-40%。當卡車、公共汽車、飛機和船只改用電池供電時，還需要更多的電力。

如果沒有任何變化，20年內需求將超過產量。我們預計鈷的價格將在2030年前上漲，鎳的價格將在2037年或更早的時候上漲。

到2050年，每年生產5000萬到8000萬輛電動汽車將需要50萬到80萬噸鈷。而從2030年開始，這將遠遠超過目前的采礦能力。同樣，到2050年，鎳的需求量將增加2-3倍。到本世紀30年代中期，鎳的短缺將很明顯。

而一旦供應達到峰值，電動汽車電池的價格可能會上漲超過1000美元。

鋰離子電池通過在兩個電極之間移動鋰離子來工作，從陽極流向陰極的離子會產生放電電流，為汽車提供動力。而當電池充電時，鋰離子會回流。

在如今用于電動汽車的商用電池中，鋰離子被保存在構成電極的晶體中的微小空隙中(這些晶體被稱為插層電極)。陽極通常由石墨制成，陰極由金屬氧化物制成。用于電極的材料，特別是稀有金屬，如鈷和鎳，既稀有又昂貴。

目前最有希望的替代方法是在電極中使用轉換材料，用銅、鐵、氟化物和硅與鋰離子發(fā)生反應。通過轉換陰極中的過渡金屬，電池可以容納比標準陰極多6倍的鋰原子。