在不久前出版的《自然》 (Nature) 雜誌上, 一篇題為《距離鋰電子電池革命僅餘10年》 (Tenyearslefttoredesignlithium-ionbatteries) 的文章指出, 鋰離子電池性能和價格的演化速度正在放緩. 如果不加大對基於儲量豐富的鐵, 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.
電動汽車需要功能強大, 重量輕, 價格實惠的電池. 最好的選擇是商業化的鋰離子電池——它們相對緊湊和穩定. 但它們仍過於笨重和昂貴, 無法廣泛使用.
二十年來, 可充電鋰離子電池的性能穩步提高. 容量大小的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). 成本下降了30倍, 降至每千瓦時150美元左右. 但這仍高於美國能源部設定的每千瓦時100美元的負擔能力目標. 對於電動汽車(50-100千瓦時)來說, 電池足夠強大, 但仍然重達600公斤左右, 佔用500升空間.
隨著傳統技術接近基本極限, 技術進步的步伐正在放緩. 在電極材料晶體結構的間隙中可以儲存的電荷量接近理論最大值. 預計的市場增長不會大幅降低價格——市場已經很大了.
研究人員警告說, 必須儘快找到鈷, 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. 鑒於生產商偷工減料, 違反環保和安全法規, 科學家和工程師們被敦促開發廉價, 常見的金屬, 如鐵和銅, 作為潛在的替代品.
研究人員表示, 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放電電流, 為汽車提供動力. 當電池充電時, 鋰離子會迴流.
在如今用於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). 陽極通常由石墨製成, 陰極由金屬氧化物製成. 用於電極的材料, 特別是稀有金屬, 如鈷和鎳, 既稀有又昂貴.
在我們看來, 最有希望的替代方法是在電極中使用轉換材料. 銅, 鐵, 氟化物和矽與鋰離子發生反應. 轉換陰極中的過渡金屬可以容納比標準陰極多6倍的鋰原子. 這種材料膨脹得更多, 能夠容納更多的鋰原子.
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.
汽車製造商和政府預計, 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, 飛機和船隻改用電池供電時, 還需要更多的電力.
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. 到2030年以後, 這將遠遠超過目前的採礦能力. 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.
回收不能補充物資. 鋰離子電池的使用壽命為15-20年, 是鉛酸電池5-7年壽命的3倍. 煉油廠可能會開採質量較差的礦石, 尤其是在價格上漲的情況下. 但更高的加工成本將推高價格. 一旦供應達到峰值, 我們估計電動汽車電池的價格可能會上漲超過1000美元. 如果用更少的金屬製成陰極, '鈷峰值' 可能會推遲幾年. 但是, 使用更少鈷的陰極材料正在開發中, 降解更快, 需要更頻繁地更換.
