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十年后若還在延用鋰電池 電動汽車大規模發展將受到限制

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年10月03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。如果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。


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。但它們仍過于笨重和昂貴,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。但這仍高于美國能源部設定的每千瓦時100美元的負擔能力目標。對于電動汽車(50-100千瓦時)來說,電池足夠強大,但仍然重達600公斤左右,占用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,必須盡快找到鈷、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。鑒于生產商偷工減料、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,鋰離子會回流。


在如今用于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)。陽極通常由石墨制成,陰極由金屬氧化物制成。用于電極的材料,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、氟化物和硅與鋰離子發生反應。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。


汽車制造商和政府預計,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、飛機和船只改用電池供電時,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年以后,這將遠遠超過目前的采礦能力。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。煉油廠可能會開采質量較差的礦石,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。如果用更少的金屬制成陰極,“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。


本文摘自:第一電動網


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