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原文以Ten years left to redesign lithium-ion batteries为标题

发布在2018年7月25日的《自然》评论上

原文以Ten years left to redesign lithium-ion batteries为标题

发布在2018年7月25日的《自然》评论上

钴和镍的探明储量将无法满足未来电动车电池市场对这两种金属的巨大需求。因此,Kostiantyn Turcheniuk及其同事呼吁,锂离子电池研究的重点需要转向开发基于铁和硅这样的常见元素的新型电极。

电动车需要功率强劲、轻巧而又可负担的电池。最有可能满足这些条件的是商用锂离子电池——这类电池相对结构紧凑而稳定。然而,目前车用锂离子电池依然过于庞大和昂贵,这阻碍了它们的广泛应用。

十年之内,我们来得及重新设计锂电池吗?

一位工程师将电动车上的一块锂离子电池插入一个测试系统中,以便循环利用。

来源:Simon Dawson/Bloomberg/Getty

过去二十年来,可充电式锂离子电池的性能一直在稳步提升。一升体积的电池包中所储存的能量从大约200瓦小时每升增加到了700瓦小时每升以上,提高了两倍有余。电池的成本降低了30倍,现在的成本约为每千瓦时容量需150美元。

但是,这依然高于美国能源部制定的可承受价格目标(每千瓦时100美元)。与此同时,电能容量足以驱动汽车(50到100千瓦时)的电池组依然重约600千克,还要占用500升的空间。

由于常规技术开始接近其根本原理的极限,锂离子电池性能提升的速度正在放缓。电极材料的晶体结构空隙中可容纳的电荷量已经接近理论值的上限,而预计的市场规模增长将不会显著地降低电池价格——现在的市场规模已经很大了。

更糟糕的是,在锂离子电极中使用的是像钴和镍这样的稀有金属,它们储量稀少而又昂贵。在过去的两年里,动力电池生产规模的飞速增长已经将钴的价格从每千克22美元推高到了每千克81美元,是过去价格的近四倍。

强需求和高价格已经开始诱使一些生产商抄近路,甚至不惜于违反环保和生产安全条例。举例而言,在中国,石墨矿开采时产生的粉尘使得农作物受损,也污染了一些村庄和饮用水源。

在非洲,有些矿主非法使用童工,并且苛减防尘面具等劳保用品。手工开采矿石的小矿山常常无视法律。包括宝马在内的部分公司遵循严格的内部守则,筛选他们的钴供应商,但很多公司并不这么做。

因此,急需开发基于铁和铜之类便宜且常见金属的替代电极。在我们看来,最具潜力的候选替代材料涉及到所谓的“转化材料”,比如氟化铁、氟化铜和硅。这些材料通过与锂离子形成化学键来储存它们,但这种技术仍处于研发初期,还需要克服稳定性、充电速度和规模化生产的问题。

我们呼吁材料科学家、工程师和资助机构优先考虑基于高储量元素的电极的研究与开发。否则,电动车在未来十年内的应用将会受阻。

稀有而昂贵

锂离子电池通过在两个电极之间交换锂离子而工作。锂离子在电池内从负极流动到正极同时放电,这一过程可以驱动汽车。当电池充电时,锂离子流回负极。

在时下的商业化电动车用动力电池中,锂离子保存在构成电极的晶体结构的空隙中,这就是所谓的离子嵌入电极。现有的负极材料一般用石墨制成,而正极材料则是金属氧化物。

常用的正极氧化物包括镍钴铝酸锂(缩写NCA,常用成分LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)或镍钴锰酸锂(缩写NCM,常用成分LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 或 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)。含有100千克重正极的电动车锂离子电池要消耗6-12千克钴和36-48千克镍。

金属的价格反映了需求、供给和冶炼矿石的成本。钴的高价源于它的稀有和巨大市场需求。钴的提炼成本非常高昂,涉及到矿石焙烧、闪速熔炼和有毒气体的消耗。钴常常是铜矿和镍矿开采的副产品,可能也需要从其他金属中分离出来。

极少有钴矿脉能达到值得专门开采的钴品位。大部分矿脉仅含有0.003%的钴,而钴矿品位要高于0.1%才能使冶炼出的钴价格在每千克100美元至150美元之间。由于要处理更多的岩石,低品位矿石的冶炼成本会大幅上升(参见“金属价格”)。

因此,在地壳总蕴藏量为10^15吨的钴中,只有约10^7吨是值得开采的。与此类似,在10^15吨的镍储量中,只有10^8吨有商业开采的价值。

十年之内,我们来得及重新设计锂电池吗?

来源:伦敦金属交易所

仅在少数地区才能找到富钴矿石。2015年,刚果民主共和国占全世界钴开采量(14.8万吨)的56%。这些钴矿石大部分流向了中国,中国的钴矿石储备大约在20万吨至40万吨之间。澳大利亚保有全世界14%的钴储量,但还没有全力开采它们。深海海床上也可以开采到钴,但深海采矿的经济和环境成本都过于高昂。

与钴类似,镍的生产也被十来个国家所掌控。2017年,印尼、菲律宾、加拿大、新喀里多尼亚、俄罗斯和澳大利亚总共占了全世界210万吨镍开采量中的72%。其中不到十分之一被用于电池,剩下的部分主要用于钢铁和电子产业。

镍的冶炼成本较钴为低,其冶炼方法主要是通过一系列氢气和一氧化碳的反应。虽然如此,自2015年以来,不断上升的需求也推动镍的市场价格提升了约50%,从每千克9美元涨到了每千克14美元。

钴和镍的价格都曾经历过暴涨和暴跌。比如在2008-2009年,澳大利亚的供应量降低,中国钢铁产业需求增大,加之对冲基金经理的投机预期,导致镍价格暴涨5倍、钴价格暴涨2倍。

 

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