在不久前出版的《自然》 (Nature) 杂志上, 一篇题为《距离锂电子电池革命仅余10年》 (Tenyearslefttoredesignlithium-ionbatteries) 的文章指出, 锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓. 如果不加大对基于储量丰富的铁, 铜等材料的电极材料的研究, 电动汽车的大规模发展将受到限制.
电动汽车需要功能强大, 重量轻, 价格实惠的电池. 最好的选择是商业化的锂离子电池——它们相对紧凑和稳定. 但它们仍过于笨重和昂贵, 无法广泛使用.
二十年来, 可充电锂离子电池的性能稳步提高. 容量大小的电池组所储存的能量是原来的三倍多, 从每升200瓦时(Wh-1)增加到700瓦时(Wh-1). 成本下降了30倍, 降至每千瓦时150美元左右. 但这仍高于美国能源部设定的每千瓦时100美元的负担能力目标. 对于电动汽车(50-100千瓦时)来说, 电池足够强大, 但仍然重达600公斤左右, 占用500升空间.
随着传统技术接近基本极限, 技术进步的步伐正在放缓. 在电极材料晶体结构的间隙中可以储存的电荷量接近理论最大值. 预计的市场增长不会大幅降低价格——市场已经很大了.
研究人员警告说, 必须尽快找到钴, 镍和其他稀有金属的替代品, 以满足电动汽车电池日益增长的需求, 因为它们的稀缺正在推高价格:在过去两年中, 钴, 镍和其他稀有金属的价格翻了两番, 从每公斤22美元涨到了每公斤81美元. 鉴于生产商偷工减料, 违反环保和安全法规, 科学家和工程师们被敦促开发廉价, 常见的金属, 如铁和铜, 作为潜在的替代品.
研究人员表示, 锂离子电池通过在两个电极之间移动锂离子来工作. 从阳极流向阴极的离子放电电流, 为汽车提供动力. 当电池充电时, 锂离子会回流.
在如今用于电动汽车的商用电池中, 锂离子被保存在构成电极的晶体中的微小空隙中(这些晶体被称为插层电极). 阳极通常由石墨制成, 阴极由金属氧化物制成. 用于电极的材料, 特别是稀有金属, 如钴和镍, 既稀有又昂贵.
在我们看来, 最有希望的替代方法是在电极中使用转换材料. 铜, 铁, 氟化物和硅与锂离子发生反应. 转换阴极中的过渡金属可以容纳比标准阴极多6倍的锂原子. 这种材料膨胀得更多, 能够容纳更多的锂原子.
如果没有任何变化, 20年内需求将超过产量. 我们预计钴的价格将在2030年前上涨, 镍的价格将在2037年或更早的时候上涨.
汽车制造商和政府预计, 到2025年, 每年将生产1000万到2000万辆电动汽车. 如果每个汽车电池需要10公斤的钴, 到2025年, 电动汽车每年需要10-20万吨的钴——这是世界目前产量的大部分. 同样地, 每年需要40-80万吨镍, 占今天所用金属的20-40%. 当卡车, 公共汽车, 飞机和船只改用电池供电时, 还需要更多的电力.
到2050年, 每年生产5000万到8000万辆电动汽车将需要50万到80万吨钴. 到2030年以后, 这将远远超过目前的采矿能力. 同样, 到2050年, 镍的需求量将增加2-3倍. 到本世纪30年代中期, 镍的短缺将很明显.
回收不能补充物资. 锂离子电池的使用寿命为15-20年, 是铅酸电池5-7年寿命的3倍. 炼油厂可能会开采质量较差的矿石, 尤其是在价格上涨的情况下. 但更高的加工成本将推高价格. 一旦供应达到峰值, 我们估计电动汽车电池的价格可能会上涨超过1000美元. 如果用更少的金属制成阴极, '钴峰值' 可能会推迟几年. 但是, 使用更少钴的阴极材料正在开发中, 降解更快, 需要更频繁地更换.
