電動(dòng)汽車(chē)需要一個(gè)電源。動(dòng)力電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展至關(guān)重要。鋰離子電池具有比能高、自放電低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是目前最實(shí)用的電動(dòng)汽車(chē)電池。

經(jīng)過(guò)20多年的科技進(jìn)步，鋰離子電池的性能得到了極大的提高。鋰電池組的比能量密度幾乎增加了兩倍，從低于200Wh/L增加到超過(guò)700Wh/L。生產(chǎn)成本約為原來(lái)的3%，目前的生產(chǎn)成本可以控制在150美元/千瓦時(shí)以下。

但這仍然高于能源部計(jì)劃的100美元/千瓦時(shí)的目標(biāo)。目前功率為50-100KW.h的動(dòng)力電池重量約為600公斤，體積約為500L。

由于目前鋰電池的能量密度接近理論最大值，鋰離子電池的能量密度提高速度逐漸放緩。電池市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)使得鋰離子電池的降價(jià)更加遙不可及。

 

 

相反，在過(guò)去兩年里，鋰電池產(chǎn)量的激增使鈷的價(jià)格幾乎翻了兩番，從每公斤22美元漲到了81美元。

市場(chǎng)需求的增加和價(jià)格的快速上漲鼓勵(lì)了一些生產(chǎn)商偷工減料，違反了環(huán)境和安全法規(guī)。例如，在中國(guó)，石墨礦釋放的灰塵破壞了農(nóng)作物，污染了村莊和飲用水。

在非洲，一些礦主剝削童工，在缺乏防毒面具和手工開(kāi)采礦石等防護(hù)設(shè)備的小礦山經(jīng)常違法。包括寶馬在內(nèi)的一些公司對(duì)其鈷供應(yīng)商有嚴(yán)格的監(jiān)管政策，而其他一些電動(dòng)汽車(chē)制造商則沒(méi)有。

 

解決這一切的最簡(jiǎn)單方法是為鐵和銅等常用金屬開(kāi)發(fā)廉價(jià)的替代電極。亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院的Gleb Yushin教授和他的同事表示，最有前途的“轉(zhuǎn)換型陰極材料”是氟化銅或氟化鐵或硅。

它們以化學(xué)方式儲(chǔ)存鋰，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段。為了實(shí)際應(yīng)用，必須克服穩(wěn)定性、充電速度和制造問(wèn)題。

Gleb Yushin教授呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先研究和開(kāi)發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動(dòng)汽車(chē)的推出將在十年內(nèi)受到巨大打擊。

 

 

鎳和鈷稀缺且昂貴

在目前的電動(dòng)汽車(chē)商用電池中，鋰離子被困在構(gòu)成電極的晶體中的微小空隙中（這些被稱(chēng)為嵌入電極）。負(fù)極通常由石墨制成，正極由金屬氧化物組成。

常見(jiàn)的三元陰極材料包括鎳鈷氧化鋁（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳氧化物（NCM，例如LiNi 0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi 0.8Co0.1Mn0.1O2）。

一個(gè)100kg的鋰離子動(dòng)力電池正極材料通常需要6~12kg的鈷和36~48kg的鎳。雖然鈷通常是銅和鎳開(kāi)采的副產(chǎn)品，但將其與其他金屬分離也需要復(fù)雜的工藝。大多數(shù)礦床只含有0.003%的鈷金屬，很少有鈷礦床的濃度足以開(kāi)采。

 

因此，盡管地球上儲(chǔ)存的1015噸鈷中，只有107噸可以使用。同樣，在世界1015噸鎳儲(chǔ)量中，只有108噸具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值。

富含鈷的礦物現(xiàn)在只在少數(shù)地方發(fā)現(xiàn)。2015年，非洲剛果（金）提供了世界14.8萬(wàn)噸鈷的一半（56%）。其中大部分流向了中國(guó)，中國(guó)有20萬(wàn)至40萬(wàn)噸鈷庫(kù)存。

澳大利亞擁有世界14%的鈷儲(chǔ)量，這些儲(chǔ)量已經(jīng)可以從深海海底開(kāi)采，但這種開(kāi)采成本、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)成本太高，無(wú)法充分開(kāi)采和利用。

同樣，鎳生產(chǎn)也由十幾個(gè)國(guó)家主導(dǎo)。2017年，印尼、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞共供應(yīng)了全球210萬(wàn)噸礦石的72%。

 

但其中只有不到十分之一用于鋰電池；剩下的大部分用于鋼鐵和電子產(chǎn)品。盡管鎳的開(kāi)采成本低于鈷，但自2015年以來(lái)，不斷增長(zhǎng)的需求使鎳價(jià)格上漲了約50%，從每公斤9美元上漲至14美元。

鈷和鎳都經(jīng)歷了價(jià)格的突然上漲和暴跌。例如，澳大利亞的供應(yīng)中斷、中國(guó)對(duì)鋼鐵的需求增加以及對(duì)沖基金經(jīng)理的投機(jī)導(dǎo)致鎳價(jià)格上漲了五倍，而鈷價(jià)格在2008-2009年上漲了三倍。

 

預(yù)計(jì)鈷和鎳短缺

如果這種情況持續(xù)下去，鈷和鎳將在20年內(nèi)出現(xiàn)供應(yīng)缺口。隨著鋰離子電池需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030年鈷將供不應(yīng)求，到2037年鎳可能缺貨。雖然我們可以開(kāi)采質(zhì)量較低的礦石，但較高的加工成本將推高鈷和鎳的價(jià)格。

電動(dòng)汽車(chē)制造商和政府預(yù)計(jì)，到2025年，每年將生產(chǎn)1000萬(wàn)至2000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)。如果每輛汽車(chē)的電池需要10公斤鈷，到2025年，僅電動(dòng)汽車(chē)每年就需要100-20萬(wàn)噸鈷，這是目前世界產(chǎn)量的大部分。同樣，每年需要400-80萬(wàn)噸鎳，相當(dāng)于目前所有金屬的20-40%。

當(dāng)卡車(chē)、公共汽車(chē)、飛機(jī)和船舶使用動(dòng)力電池時(shí)，需要更多的電池。到2050年，每年生產(chǎn)5000萬(wàn)至8000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)需要500萬(wàn)至80萬(wàn)噸鈷。2030年后，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的采礦能力。

同樣，到2050年，鎳的需求將增長(zhǎng)2-3倍。到2030年年中，鎳的短缺將顯而易見(jiàn)，回收利用將無(wú)法補(bǔ)充供應(yīng)。因?yàn)殇囯x子電池的壽命為15-20年，是鉛酸電池5-7年的3倍。一旦供應(yīng)達(dá)到峰值，我們估計(jì)電動(dòng)汽車(chē)電池的價(jià)格可能會(huì)上漲1000美元以上。

 

 

未來(lái)電池材料的出路是什么

答案是使用傳統(tǒng)金屬（鐵、銅）生產(chǎn)鋰離子電池正極材料。例如，鐵不僅便宜（低至6美分/公斤），而且儲(chǔ)量豐富（760億噸）。由于傳統(tǒng)的富鐵材料（LiFePO4）和富錳材料（LiMnO2或LiMn2O4）在使用中存在各種缺點(diǎn)，因此最有前途的替代方案是在電極中使用“替代陰極材料”。

氟化銅/氟化鐵和硅與鋰離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鋰存儲(chǔ)，其能量是標(biāo)準(zhǔn)陰極的六倍。

轉(zhuǎn)化陰極材料的機(jī)理：其電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一種不同于傳統(tǒng)鋰離子嵌入/萃取反應(yīng)的新型儲(chǔ)鋰機(jī)理。

反應(yīng)過(guò)程中存在多次電子轉(zhuǎn)移，因此基于電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的電極材料具有非常高的理論比容量。這種電極材料主要由過(guò)渡金屬氧化物、硫化物或氟化物組成。

 

其中，過(guò)渡金屬氟化物由于其強(qiáng)大的離子鍵而具有更高的工作潛力，更適合作為鋰離子電池的正極材料。其中，硅基材料非常適合匹配。

一旦這兩種材料成功使用，為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的電池可以減半，而成本、重量和體積可以減半或更多。

但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池研究人員需要開(kāi)發(fā)高性能的氟化物材料和更高效的電解質(zhì)。工程師們需要努力開(kāi)發(fā)使用這些材料的設(shè)備和工藝。

此外，由轉(zhuǎn)換材料制備的電池還存在一些缺點(diǎn)，如導(dǎo)電性低、倍率性能差以及轉(zhuǎn)換材料與電解質(zhì)之間的嚴(yán)重副反應(yīng)。

正極和負(fù)極SEI膜較厚，具有電壓滯后，充電后電極嚴(yán)重膨脹和收縮。

 

替代材料介紹

與插層型材料電極相比，在充電和放電過(guò)程中，在轉(zhuǎn)換型材料和Li結(jié)合之前和之后會(huì)發(fā)生鍵斷裂和鍵形成。在Li進(jìn)一步進(jìn)入FeF2后，在Fe-F鍵斷裂后，Li和F重新鍵合形成LiF（A型）。

 

 

每個(gè)元素中包含的信息如圖中的示例所示：

第1行表示元素類(lèi)型。

第2行表示地殼中元素的豐度。

第3行表示金屬或元素在過(guò)去五年中的平均價(jià)格。

第4行和第5行分別表示元素對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的影響。

 

 

結(jié)論

2030年左右，動(dòng)力鋰電池的鈷和鎳資源將供不應(yīng)求，三元材料的發(fā)展勢(shì)必不可持續(xù)。

在未來(lái)，新的陰極材料必須是一種優(yōu)于當(dāng)前插層陰極材料的高電勢(shì)材料。

硅基材料對(duì)新型陰極材料的適應(yīng)性不僅要提高其能量密度，還要大大降低鋰離子電池的成本。