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假如沒有便宜的替代電池,電動汽車將在10年后遭遇危機

鉅大LARGE  |  點擊量:752次  |  2021年11月11日  

在不久前出版的《自然》(Nature)雜志上,一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余10年》(Tenyearslefttoredesignlithium-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。


假如不加大對基于儲量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究,電動汽車的大規模發展將受到限制!


文章認為,造成上述問題的重要原因包括以下幾點:


一是因為技術已近極致,且尚未突破。


在電極材料的晶體結構中,可以儲存的電荷量快要接近理論最大值;市場規模的上升難以繼續帶來大幅度的價格降低。

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二是現有資源開始短缺,而替代材料尚未出現。


目前普遍采用的電極材料,如鈷和鎳十分稀缺,且價格昂貴,假如沒有任何新的變化,預計在2030~2037年間(或更早),鈷和鎳的需求量就會超過產量。另一方面,新的替代電極材料,如儲量豐富的鐵、銅,則還處于早期研究階段。


自1990年首次問世以來,鋰離子電池在消費性電子產品、儲能(家用、公用事業)、電動汽車行業得到了廣泛的應用。隨著產量規模的擴大,其性能大幅提升、價格大幅下降。


而驅動鋰離子電池的成本下降和性能提升的四個關鍵因素中,化學材料則是其中最重要的一項。


電池的性能受兩極化學材料的影響。陰極材料重要包括鋰鎳錳鈷(NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)、鋰錳氧化物(LMO)和磷酸鐵鋰(LFP);陽極材料大多數采用石墨,重型汽車中為新增循環壽命,也會使用鈦酸鋰(LTO)。

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NMC和NCA技術的重要優點是能量密度更高,主導了輕型電池市場;


LFP的能量密度低,但得益于更高的循環壽命和安全性能,它成為重型電動汽車(即客車)采用的重要化學物質。


化學材料對電池成本有著較大的影響,LFP-Gr最為昂貴,約為240美元/千瓦時,比最便宜的NMC811-Gr電池高出約20%。


根據IEA的分析,鋰離子電池雖然能在未來的二十年內占據主導,但其化學材料將逐漸發生變化。


2025年前后,新一代擁有低鈷、高能量密度和陰極鋰鎳錳鈷(NMC)811等特性的鋰離子電池將進入量產。在石墨陽極中加入少量的硅,可將能量密度提高50%,而能夠承受較高電壓的電解質鹽也將有助于提高性能。


2025年至2030年期間,鋰金屬為陰極、石墨/硅復合材料為陽極的鋰離子電池可能會進入設計階段,甚至還可以引入固態電解質以進一步提高能量密度和電池安全性。此外,鋰離子技術可能會被鋰空氣、鋰硫等其他有著更高能量密度和更低理論成本的電池所取代。但實際上,這些技術的發展水平仍非常低,實際性能尚待測試。



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