锂电池改变了我们的生活,但它可能不是电动车的未来

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2019-12-23 14:25

今年的诺贝尔化学奖颁给了锂电池的发明者,正如诺贝尔委员会的颁奖词:「锂离子电池已经彻底改变了我们的生活,从手机到笔记本电脑和电动汽车,锂离子电池无处不在。」

虽然锂电池为人类摆脱化石燃料的依赖作出了巨大贡献,让汽车产业迈向电动化,但随着人们对锂电池需求的增加,锂电池技术的瓶颈也逐渐暴露。就连锂电池的发明者之一的 John Goodenough 对锂电池的未来也不乐观

我的工作还没有完成。在钴氧化物阴极发明 35 年后,电动能源汽车在价格上仍然不能与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的储存成本太高,只能立即使用。我们的前景不容乐观。

一位从事电池研发多年的技术人员 Tiger 曾告诉爱范儿,现阶段电池的技术瓶颈主要在能量密度、循环寿命和温度特性三个方面。

其中锂电池的能量密度是制约交通行业进一步电动化的最大瓶颈之一。锂电池相比内燃机的优点在于能量效率更高,可以达到 60%-80%,而内燃机的能量效率只有 20%-60%,但这并还不足以弥补锂电池能量密度低的缺点。

▲ 电动车内电池组的单节电池

目前工业生产的锂电池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg,只有特斯拉等少数厂商能突破 300 Wh/Kg,然而汽油的能量密度却能能达到 2000Wh / kg,几乎是锂电池的 10 倍,也就是说要达到燃油车 60 升的油箱同样的能量,需要 400 多公斤的锂电池。

▲图片来自:japantimes

这也是全电动飞机一直迟迟无法实现的重要原因,因为电池要占用飞机更多的空间,像波音 737 这种大型飞机,所需的电池重量甚至要比机身更重,这显然不现实。

如果要提高锂电池的能量密度,代价之一就是减少循环寿命,一般手机的锂电池的寿命约为 3 年,可充电/放电超过 500 次,但这样的寿命会拉低的电动车的性价比,需要改变电极材料来延长寿命。以特斯拉为例,其电池的循环寿命并不长,但因为单次充电的续航更长,拉长了电池的使用周期

▲ 特斯拉的电池工厂. 图片来自:The Verge

目前一些电动车开始使用寿命更长磷酸铁锂电池,据悉比亚迪透露明年将推出采用磷酸铁锂电池的电动车,寿命可以达到 8 年 120 万公里,成本还能节约 30%,但这种电池的缺点是能量密度提升的空间有限。

此外随着锂电池的广泛应用,碳酸锂的产量很快可能就无法满足日益膨胀的市场需求。根据市场调机构 Adroit Market Research 的预测,到 2025 年锂的消耗量将翻两番,全球锂电池市场规模估计将超过 1000 亿美元。

▲图片来自: Adroit Market Research

有机构通过测算,发现仅仅考虑电动车,2050 年就能消耗陆地上三分之一锂,到 2080 年陆地上的锂资源将被完全耗尽。虽然海洋上的锂储备高达 2300 亿吨,但目前还没有可大规模商用的提取技术。

锂资源的短缺会造成锂电池成本的上升,最终变成另外一种「石油」。曾有一种观点认为汽车行业从石油从转向锂电池,不过是从一种有限的资源换到了另一种有限的资源。

▲图片来自:Sims Recycling Solutions

但锂电池和石油不一样的是,锂可以被回收再利用,据称最高可实现 95% 的回收利用率。如果能够实现锂金属高效的回收,能有效缓解锂资源短缺的问题,但目前锂电池的回收率并不高,而且回收再利用的成本并不低,甚至比开采锂矿还高。

而电动车比燃油汽车更加环保的传统印象,其实也不太准确。的确,在消费者驾驶电动车的过程中的碳排放确实比燃油车要低得多,但这并不意味着电动车更加环保,电动车只是将污染前移到了生产环节。

有研究表明,如果考虑电动车电池的生产,制造一辆电动车产生的碳排放比一辆燃油车多 15% 到 70%。而且这还没计算开采锂矿以及锂电池回收不当对环境造成的污染,比如在智利一些地区,65% 的水用于锂生产,很容易对水资源造成污染。

显然,目前的锂电池还存在很多短板,而且在过去 20 年可商用的电池技术也没有取得太大突破,但激增的市场需求迫使人类要尽快找到更好的电池方案,《自然》杂志曾在 2018 年预测「 我们距离锂电子电池革命仅剩下 10 年。」

事实上科学家一直没有停止研发新的电池技术, IBM Research 旗下的电池实验室就正在开发从海水提取物质来制作无钴电动车电池的技术,这项技术能在 5 分钟内充电至 80%,且在成本和能量密度等方面都要优于现在的锂电池。

目前梅赛德斯奔驰、日本电池电解质供应商 Central Glass 等厂商已经和 IBM 达成合作,来推动这项电池技术的商用,但究竟什么时候会推出市场还不得而知。

锂电池的未来,也不一定被新材料取代,也还可能取得更大的突破。现年 97 岁的「锂离子电池之父」John Goodenough 至今仍投入在全固态电池的研发中,希望让锂电池达到新的高度,目前已经取得了一些研究成果。

无论如何,锂电池的革命或许离我们不远了。

题图来自:Wired

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