電動(dòng)汽車電池領(lǐng)域正在醞釀一場(chǎng)革命。
去年，美國(guó)的阿貢實(shí)驗(yàn)室宣布已經(jīng)將鋰空氣電池的循環(huán)次數(shù)提升到了1000次，這種電池的正極是空氣，能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的4倍——1200Wh/kg，可以儲(chǔ)存足夠的能量為飛機(jī)提供動(dòng)力。
而據(jù)《日經(jīng)中文網(wǎng)》2月18日最新報(bào)道，日本大阪大學(xué)的教授中西周次等人在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的支持下，已從今年2月開始與美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)展開截至2028年末的國(guó)際聯(lián)合研究，力爭(zhēng)在2030年代前半期將鋰空氣電池推向商業(yè)化。
同日，澎湃新聞?dòng)浾哌€從全球動(dòng)力電池龍頭寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱了解到，寧德時(shí)代目前已有鋰空氣電池方面的基礎(chǔ)研究，但離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)。
市場(chǎng)呼喚新型動(dòng)力電池
近日，《自然》發(fā)表了一篇對(duì)人類未來電動(dòng)汽車電池技術(shù)的展望的文章，作者援引諸多學(xué)界研究者的觀點(diǎn)表示，盡管現(xiàn)目前已成功商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池很難被擊敗，但一系列的選擇將很快填補(bǔ)不同的細(xì)分市場(chǎng)。
在這其中，鋰空氣電池由于其超高的能量密度（超越全固態(tài)電池），被認(rèn)為將可能最終應(yīng)用于電動(dòng)飛機(jī)和高端汽車。
根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，全球道路上的電動(dòng)汽車存量將從2021年的1650萬輛增加到2030年的近3.5億輛，到2050年，電動(dòng)汽車電池的需求將達(dá)到14太瓦時(shí)(TWh)，是2020年的90倍。
《自然》指出，電動(dòng)汽車的電池有一系列嚴(yán)格的要求。一方面，需要在盡可能少的材料和重量中封裝大量的能量，這樣汽車一次充電就能跑得更遠(yuǎn)。另一方面，需要具備足夠的功率，充電速度快，壽命長(zhǎng)(通常的標(biāo)準(zhǔn)是承受1000次完全充電循環(huán)，消費(fèi)者應(yīng)該可以使用10-20年)，此外，電池還需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作良好，安全且價(jià)格合理。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的電池研究員琳達(dá)·納扎爾 (Linda Nazar) 對(duì)《自然》表示:“一次優(yōu)化所有這些要求非常困難。”
因此，研究人員正在尋找大量的選擇，適用于不同的目標(biāo)。2017年，美國(guó)能源部(DoE)啟動(dòng)了“電池500”(Battery500)計(jì)劃，目標(biāo)是將電池能量密度提高到每公斤500瓦時(shí)(Wh /kg)，與當(dāng)今最好的鋰電池產(chǎn)品相比，提高了65%。
2023年，美國(guó)能源高級(jí)研究計(jì)劃局(Advanced Research Projects Agency-Energy)啟動(dòng)了“PROPEL-1K”計(jì)劃，雄心勃勃地瞄準(zhǔn)了能量密度1000Wh /kg的長(zhǎng)期目標(biāo)。
至于動(dòng)力電池的成本，美國(guó)能源部汽車技術(shù)辦公室的目標(biāo)是到2030年達(dá)到每千瓦時(shí)60美元，大約是今天價(jià)格的一半，這意味著電動(dòng)汽車的價(jià)格，將與那些汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車的成本持平。
但《自然》也指出，關(guān)于尚未發(fā)布的電池或汽車的商業(yè)公告中，有時(shí)會(huì)過于強(qiáng)調(diào)一種指標(biāo)，而在電池在實(shí)際汽車上進(jìn)行多年測(cè)試之前，專利的聲明不具備說服力。
關(guān)于未來，許多電池化學(xué)物質(zhì)仍具有誘人的可能性。
動(dòng)力電池電極的進(jìn)化路徑
動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)實(shí)際更像是一種化學(xué)“三明治”，其工作原理是通過一些中間材料(電解質(zhì))將帶電離子從一邊(負(fù)極)傳送到另一邊(正極)，而電子在外部電路中流動(dòng)。給電池充電意味著將離子分流回負(fù)極。
現(xiàn)如今，大多數(shù)電動(dòng)汽車使用的是鋰離子電池。鋰是元素周期表中第三輕的元素，它的外層有一個(gè)活性電子，這使它的離子成為很好的能量載體。鋰離子在通常由石墨制成的負(fù)極和由金屬氧化物制成的正極之間移動(dòng)，兩者都在原子層之間容納鋰離子。電解質(zhì)通常是一種有機(jī)液體。
鋰離子電池自1991年商業(yè)化以來已經(jīng)有了很大的改進(jìn)：電池的能量密度幾乎增加了兩倍，而價(jià)格卻下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，不少觀點(diǎn)仍然認(rèn)為，鋰離子電池將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。加州洛斯阿爾托斯最近退休的科學(xué)家溫弗里德·威爾克(Winfried Wilcke)說:“我認(rèn)為鋰離子電池技術(shù)在未來幾十年內(nèi)仍將是電動(dòng)汽車電池的主流，因?yàn)樗銐蚝谩?rdquo;
到目前為止，鋰離子電池的大部分改進(jìn)都來自于電池正極材料的改變，從而產(chǎn)生了多種商業(yè)電池類型。第一類在筆記本電腦中很流行，正極使用鈷酸鋰，電池重量相對(duì)較輕，但價(jià)格昂貴。第二類在許多汽車很流行，使用鎳和鈷與鋁或錳的混合物作為正極(NCA和NCM)。第三類是磷酸鐵鋰(LFP)，它不需要昂貴的鈷和鎳，但迄今為止能量密度相對(duì)較低。
磷酸鐵鋰電池的價(jià)格使其具有吸引力，許多研究人員和公司都在努力改進(jìn)。例如，從2021年開始，美國(guó)電動(dòng)汽車制造商特斯拉決定在其中檔汽車中使用磷酸鐵鋰電池。
對(duì)于鋰離子電池而言，電池正極還有更多調(diào)整的余地。例如在鎳鈷錳電池中，研究人員一直在減少更昂貴的鈷，轉(zhuǎn)而使用鎳，鎳也能提供更高的能量密度。順著這條道路，已經(jīng)產(chǎn)生了商業(yè)化的鎳含量為80%的NCM811電池正極，研究人員現(xiàn)在正在研究鎳含量為90%的NCM955。
與此同時(shí)，在負(fù)極，一個(gè)常見的選擇是用硅代替石墨，跟石墨相比，這種材料每單位重量可以儲(chǔ)存10倍以上的鋰原子。挑戰(zhàn)在于，在充放電循環(huán)中，硅會(huì)膨脹和收縮約300%，給電池帶來很大的結(jié)構(gòu)壓力，并限制其使用壽命。
比硅負(fù)極更好的是鋰金屬本身。除了減輕電池重量外，還可以加快電池充電速度，因?yàn)闊o需等待鋰離子在任何層之間插入。但這種電池的一個(gè)大問題是，在充電過程中，鋰傾向于不均勻地重新沉積在負(fù)極上，形成枝晶，穿過電解質(zhì)并使電池短路。
去年，中國(guó)的衛(wèi)藍(lán)新能源公司的研究人員報(bào)告了一種鋰金屬負(fù)極(和一種富含鋰的正極)的電池，能量密度在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到了700Wh/kg以上。衛(wèi)藍(lán)新能源的目標(biāo)是開發(fā)和商業(yè)化這種電池。理論上，具有更好電極的鋰金屬電池可以實(shí)現(xiàn)巨大的能量密度，但通常在電池壽命或安全性方面需要權(quán)衡。
另一個(gè)提供高能量密度的想法是鋰硫電池，電池采用鋰金屬負(fù)極和硫正極。但硫與鋰發(fā)生反應(yīng)，生成可溶解的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會(huì)沉積在負(fù)極上。
由于這些問題困擾著具有更好電極的鋰離子電池，許多人認(rèn)為最誘人的解決方案是用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，即全固態(tài)電池。
全固態(tài)電池的概念是使用陶瓷或固體聚合物作為電解質(zhì)，它承載鋰離子的通道，但有助于阻止枝晶的形成。這不僅使使用全鋰負(fù)極變得更容易，隨之而來具有能量密度優(yōu)勢(shì)，而且擺脫了易燃的有機(jī)液體，也意味著消除了可能引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。
此外，全固態(tài)電池的電池結(jié)構(gòu)比液體電池簡(jiǎn)單，從理論上講，全固體電池在低溫(因?yàn)榈蜏貢r(shí)沒有液體變得更粘稠)和高溫(因?yàn)榕c電極的界面在高溫下不會(huì)受到太大影響)下都能更好地工作。
但全固態(tài)電池也存在挑戰(zhàn)，特別是如何在各層之間制造一個(gè)光滑、完美的界面。此外，離子在固體中的傳輸速度比在液體中的傳輸速度要慢，從而限制了功率。而固態(tài)電池需要一種全新的制造工藝。“就目前來看，全固態(tài)電池會(huì)更貴。”加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家Gerbrand Ceder說。
去年，一些電池公司正在向全固態(tài)電池加速邁進(jìn)。例如，位于美國(guó)科羅拉多州的Solid Power公司(與汽車制造商寶馬和福特合作)已經(jīng)開始了一種全固態(tài)電池的中試，該電池采用硅基負(fù)極，能量密度據(jù)稱達(dá)到390Wh/kg。
位于美國(guó)加州的QuantumScape公司(已與包括大眾汽車在內(nèi)的制造商簽署了協(xié)議)生產(chǎn)的全固態(tài)電池具有鋰金屬負(fù)極的優(yōu)點(diǎn)，重量更輕，設(shè)計(jì)中沒有正極。QuantumScape已經(jīng)發(fā)布了一些原型電池的性能數(shù)據(jù)。
但全固態(tài)電池驅(qū)動(dòng)的汽車似乎永遠(yuǎn)都在地平線上。例如，豐田原本計(jì)劃在本世紀(jì)20年代初實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化，現(xiàn)在卻推遲到了本世紀(jì)20年代末。
“豐田在過去十年里說了很多話，但都沒有實(shí)現(xiàn)，”Ceder警告說。固態(tài)電池被吹捧的更高能量密度“在任何商業(yè)規(guī)模上都沒有得到證實(shí)”。
但納扎爾認(rèn)為，這個(gè)時(shí)間框架總體上是現(xiàn)實(shí)的。她表示:“我相信，到2025年，我們可能會(huì)看到其中一些全固態(tài)電池進(jìn)入市場(chǎng)。”尤其是考慮到一些雄心勃勃的中國(guó)公司正在參與，其中包括全球最大電池制造商寧德時(shí)代。
與此同時(shí)，許多研究人員正在尋找改善全固態(tài)電池的方法。例如德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的化學(xué)家詹妮弗·魯普(Jennifer Rupp)在慕尼黑成立了一家名為QKera的公司，該公司生產(chǎn)陶瓷電解質(zhì)的溫度是通常的1000°C的一半。這既有助于限制制造過程中二氧化碳排放，也有助于解決將電解質(zhì)與正極結(jié)合的一些問題。
鋰空氣電池——夢(mèng)幻動(dòng)力電池？
鋰空氣電池使用鋰金屬負(fù)極，而正極則是基于鋰與氧氣的結(jié)合，氧氣從空氣中抽出，在電池充電時(shí)再次釋放出來。這種設(shè)計(jì)讓電池單體可以儲(chǔ)存更多的能量，部分原因是關(guān)鍵的正極成分沒有儲(chǔ)存在電池中。
但這個(gè)想法長(zhǎng)期以來似乎都是推測(cè)性的。“我的一些同事稱之為童話般的化學(xué)，”納扎爾說。
去年，美國(guó)伊利諾斯州萊蒙特阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家拉里·柯蒂斯團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文，展示了一種固態(tài)的實(shí)驗(yàn)性鋰空氣電池，該電池在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過了1000多次循環(huán)測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)表示，其硬幣大小的測(cè)試電池運(yùn)行時(shí)的能量密度約為685Wh/kg，實(shí)際能夠達(dá)到1200Wh/kg，是目前鋰離子電池可達(dá)到的能量密度的4倍，大致與汽車汽油的能量密度相當(dāng)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用了一種新的固體電解質(zhì)物質(zhì)——一種陶瓷聚合物，以前的鋰空氣電池項(xiàng)目通常使用液態(tài)電解質(zhì)，在正極生成超氧化物鋰(LiO2)或過氧化鋰(Li2O2)，每個(gè)氧分子存儲(chǔ)一到兩個(gè)電子。這種新型電池可以生成可以容納4個(gè)電子的氧化鋰(Li2O)。這些額外的電子轉(zhuǎn)化為更高的能量密度，系統(tǒng)似乎比以前的更穩(wěn)定，使得電池具有更長(zhǎng)的壽命。
拉里·柯蒂斯說，考慮到該電池的能量密度很大，該團(tuán)隊(duì)正在考慮將航空作為該技術(shù)的最佳應(yīng)用。
溫弗里德·威爾克評(píng)價(jià)說，這項(xiàng)成果令人驚訝，“他們可以使用含有水分、二氧化碳和其他垃圾的普通臟空氣，這些都是未經(jīng)過濾的空氣。”
不過，仍然有許多人表示， 在興奮之前，他們希望看到成果得到復(fù)制。雖然這是一個(gè)很棒的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，但目前還不清楚它在實(shí)踐中如何工作——例如，如何讓空氣進(jìn)出，以及能否把電池造得更大，在更高的電流下工作。
成本還是動(dòng)力電池繞不開的話題
隨著對(duì)神奇電池的不斷探索，一些科學(xué)家還認(rèn)為，最緊迫的問題，是需要選擇一種從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看既便宜又可持續(xù)的電池化學(xué)物質(zhì)。
“最大的挑戰(zhàn)是與資源相關(guān)的，”加州大學(xué)伯克利分校的材料學(xué)家Ceder說，他計(jì)算出，到2050年，汽車所需14太瓦時(shí)電池將總體需要1400萬噸金屬。相比之下，目前全球每年鋰的開采量約為13萬噸，而鈷的開采量接近20萬噸，鎳的開采量為330萬噸——包括非電動(dòng)汽車電池和含鎳的不銹鋼。
許多研究人員和公司正在嘗試制造不使用鎳、鈷或其他昂貴金屬的電池。例如，QuantumScape公司表示，他們的電池具有這種優(yōu)勢(shì)，鋰空氣概念電池、已經(jīng)商業(yè)化的磷酸鐵鋰也具有這種優(yōu)勢(shì)(但如果這種技術(shù)大規(guī)模發(fā)展，磷酸鐵鋰可能會(huì)對(duì)磷資源造成壓力)。
Ceder正在研究一種叫做無序巖鹽(DRX)8的替代正極。原理是鋰離子可以在晶體正極中蜿蜒穿行，而不是沿著有序的路徑層層穿過，因此正極幾乎可以用任何過渡金屬制成。Ceder的團(tuán)隊(duì)傾向于錳和鈦。他預(yù)計(jì)第一批帶有DRX正極的電池將比目前的鋰離子電池更便宜，并達(dá)到相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?br /> 也許最終的目標(biāo)是擺脫鋰本身——由于需求的激增和供應(yīng)的瓶頸。研究人員曾嘗試用鎂、鈣、鋁和鋅等大量其他材料替代鋰，但在鈉方面的工作最為先進(jìn)。
鈉在元素周期表中位于鋰的正下方，使其原子更重更大，但具有相似的化學(xué)性質(zhì)。這意味著鋰電池開發(fā)和制造的許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以復(fù)制到鈉電池上。而且鈉更容易獲得：它在地殼中的含量大約是鋰的1000倍。
Ceder認(rèn)為，鈉電池的成本最終可能在每千瓦時(shí)50美元左右。
鈉電池已經(jīng)投入商業(yè)化生產(chǎn)。比亞迪第一家鈉離子電池廠已經(jīng)破土動(dòng)工，中國(guó)汽車制造商奇瑞、江淮今年都宣布推出鈉離子電池驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型汽車，這些小型車的標(biāo)價(jià)預(yù)計(jì)在1萬美元左右。
從好的方面來看，鈉的原子尺寸更大，為正極層狀金屬氧化物提供了更多的選擇，研究人員還可以用鈉制造一種無負(fù)極的固態(tài)電池。
但鈉電池的問題不是沒有。與鋰相比，鈉的重量更重，從根本上說，很難達(dá)到高能量密度——鈉離子電池的能量密度現(xiàn)在大致相當(dāng)于十年前最好的鋰離子電池。寧德時(shí)代的鈉電池在2021年達(dá)到了160Wh/kg的宣傳能量密度，據(jù)報(bào)道，價(jià)格為每千瓦時(shí)77美元。寧德時(shí)代表示，下一代鈉電池的能量密度將提高到200Wh/kg。
較低的能量密度意味著續(xù)航范圍有限。預(yù)計(jì)使用鈉電池的超緊湊型汽車的續(xù)航里程約為250-300公里，而鋰電池驅(qū)動(dòng)的特斯拉Model S的續(xù)航里程接近600公里。
另外一些公司，包括英國(guó)的Faradion和瑞典的Northvolt，正在推廣他們的鈉電池（能量密度也都被公告為160Wh/kg)，為電網(wǎng)儲(chǔ)存多余的可再生能源。
電池需要更環(huán)保
《自然》雜志指出，新電池的開發(fā)工作漫長(zhǎng)而繁重，因?yàn)椴牧系男阅懿⒉豢偸强深A(yù)測(cè)的。不過，人工智能(AI)和自動(dòng)合成將提供幫助。例如，美國(guó)能源部位于華盛頓州的西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在與微軟公司合作，迅速研發(fā)出新的電池材料，以這種方式發(fā)現(xiàn)的鋰鈉固體電解質(zhì)目前正處于初步測(cè)試階段。
關(guān)于動(dòng)力電池的未來，專家們說，我們很可能會(huì)在未來的汽車上看到一系列的電池——就像今天的2缸、4缸和6缸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。
例如，我們可能會(huì)在低端汽車、叉車或?qū)I(yè)車輛上看到鈉電池或磷酸鐵鋰電池；可能會(huì)有使用硅負(fù)極或巖鹽正極的鋰離子電池，或者全固態(tài)電池用于中檔汽車；可能會(huì)有用于高端汽車或飛行汽車的鋰金屬電池甚至鋰空氣電池。
但這些都還有很多工作要做。 “所有尚未商業(yè)化的化學(xué)物質(zhì)都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。”位于弗吉尼亞州的美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室的化學(xué)工程師布萊恩·坎寧安稱，“我們的工作就是消除所有這些弊端。”
去年，美國(guó)的阿貢實(shí)驗(yàn)室宣布已經(jīng)將鋰空氣電池的循環(huán)次數(shù)提升到了1000次，這種電池的正極是空氣，能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的4倍——1200Wh/kg，可以儲(chǔ)存足夠的能量為飛機(jī)提供動(dòng)力。
而據(jù)《日經(jīng)中文網(wǎng)》2月18日最新報(bào)道，日本大阪大學(xué)的教授中西周次等人在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的支持下，已從今年2月開始與美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)展開截至2028年末的國(guó)際聯(lián)合研究，力爭(zhēng)在2030年代前半期將鋰空氣電池推向商業(yè)化。
同日，澎湃新聞?dòng)浾哌€從全球動(dòng)力電池龍頭寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱了解到，寧德時(shí)代目前已有鋰空氣電池方面的基礎(chǔ)研究，但離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)。
市場(chǎng)呼喚新型動(dòng)力電池
近日，《自然》發(fā)表了一篇對(duì)人類未來電動(dòng)汽車電池技術(shù)的展望的文章，作者援引諸多學(xué)界研究者的觀點(diǎn)表示，盡管現(xiàn)目前已成功商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池很難被擊敗，但一系列的選擇將很快填補(bǔ)不同的細(xì)分市場(chǎng)。
在這其中，鋰空氣電池由于其超高的能量密度（超越全固態(tài)電池），被認(rèn)為將可能最終應(yīng)用于電動(dòng)飛機(jī)和高端汽車。
根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，全球道路上的電動(dòng)汽車存量將從2021年的1650萬輛增加到2030年的近3.5億輛，到2050年，電動(dòng)汽車電池的需求將達(dá)到14太瓦時(shí)(TWh)，是2020年的90倍。
《自然》指出，電動(dòng)汽車的電池有一系列嚴(yán)格的要求。一方面，需要在盡可能少的材料和重量中封裝大量的能量，這樣汽車一次充電就能跑得更遠(yuǎn)。另一方面，需要具備足夠的功率，充電速度快，壽命長(zhǎng)(通常的標(biāo)準(zhǔn)是承受1000次完全充電循環(huán)，消費(fèi)者應(yīng)該可以使用10-20年)，此外，電池還需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作良好，安全且價(jià)格合理。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的電池研究員琳達(dá)·納扎爾 (Linda Nazar) 對(duì)《自然》表示:“一次優(yōu)化所有這些要求非常困難。”
因此，研究人員正在尋找大量的選擇，適用于不同的目標(biāo)。2017年，美國(guó)能源部(DoE)啟動(dòng)了“電池500”(Battery500)計(jì)劃，目標(biāo)是將電池能量密度提高到每公斤500瓦時(shí)(Wh /kg)，與當(dāng)今最好的鋰電池產(chǎn)品相比，提高了65%。
2023年，美國(guó)能源高級(jí)研究計(jì)劃局(Advanced Research Projects Agency-Energy)啟動(dòng)了“PROPEL-1K”計(jì)劃，雄心勃勃地瞄準(zhǔn)了能量密度1000Wh /kg的長(zhǎng)期目標(biāo)。
至于動(dòng)力電池的成本，美國(guó)能源部汽車技術(shù)辦公室的目標(biāo)是到2030年達(dá)到每千瓦時(shí)60美元，大約是今天價(jià)格的一半，這意味著電動(dòng)汽車的價(jià)格，將與那些汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車的成本持平。
但《自然》也指出，關(guān)于尚未發(fā)布的電池或汽車的商業(yè)公告中，有時(shí)會(huì)過于強(qiáng)調(diào)一種指標(biāo)，而在電池在實(shí)際汽車上進(jìn)行多年測(cè)試之前，專利的聲明不具備說服力。
關(guān)于未來，許多電池化學(xué)物質(zhì)仍具有誘人的可能性。
動(dòng)力電池電極的進(jìn)化路徑
動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)實(shí)際更像是一種化學(xué)“三明治”，其工作原理是通過一些中間材料(電解質(zhì))將帶電離子從一邊(負(fù)極)傳送到另一邊(正極)，而電子在外部電路中流動(dòng)。給電池充電意味著將離子分流回負(fù)極。
現(xiàn)如今，大多數(shù)電動(dòng)汽車使用的是鋰離子電池。鋰是元素周期表中第三輕的元素，它的外層有一個(gè)活性電子，這使它的離子成為很好的能量載體。鋰離子在通常由石墨制成的負(fù)極和由金屬氧化物制成的正極之間移動(dòng)，兩者都在原子層之間容納鋰離子。電解質(zhì)通常是一種有機(jī)液體。
鋰離子電池自1991年商業(yè)化以來已經(jīng)有了很大的改進(jìn)：電池的能量密度幾乎增加了兩倍，而價(jià)格卻下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，不少觀點(diǎn)仍然認(rèn)為，鋰離子電池將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。加州洛斯阿爾托斯最近退休的科學(xué)家溫弗里德·威爾克(Winfried Wilcke)說:“我認(rèn)為鋰離子電池技術(shù)在未來幾十年內(nèi)仍將是電動(dòng)汽車電池的主流，因?yàn)樗銐蚝谩?rdquo;
到目前為止，鋰離子電池的大部分改進(jìn)都來自于電池正極材料的改變，從而產(chǎn)生了多種商業(yè)電池類型。第一類在筆記本電腦中很流行，正極使用鈷酸鋰，電池重量相對(duì)較輕，但價(jià)格昂貴。第二類在許多汽車很流行，使用鎳和鈷與鋁或錳的混合物作為正極(NCA和NCM)。第三類是磷酸鐵鋰(LFP)，它不需要昂貴的鈷和鎳，但迄今為止能量密度相對(duì)較低。
磷酸鐵鋰電池的價(jià)格使其具有吸引力，許多研究人員和公司都在努力改進(jìn)。例如，從2021年開始，美國(guó)電動(dòng)汽車制造商特斯拉決定在其中檔汽車中使用磷酸鐵鋰電池。
對(duì)于鋰離子電池而言，電池正極還有更多調(diào)整的余地。例如在鎳鈷錳電池中，研究人員一直在減少更昂貴的鈷，轉(zhuǎn)而使用鎳，鎳也能提供更高的能量密度。順著這條道路，已經(jīng)產(chǎn)生了商業(yè)化的鎳含量為80%的NCM811電池正極，研究人員現(xiàn)在正在研究鎳含量為90%的NCM955。
與此同時(shí)，在負(fù)極，一個(gè)常見的選擇是用硅代替石墨，跟石墨相比，這種材料每單位重量可以儲(chǔ)存10倍以上的鋰原子。挑戰(zhàn)在于，在充放電循環(huán)中，硅會(huì)膨脹和收縮約300%，給電池帶來很大的結(jié)構(gòu)壓力，并限制其使用壽命。
比硅負(fù)極更好的是鋰金屬本身。除了減輕電池重量外，還可以加快電池充電速度，因?yàn)闊o需等待鋰離子在任何層之間插入。但這種電池的一個(gè)大問題是，在充電過程中，鋰傾向于不均勻地重新沉積在負(fù)極上，形成枝晶，穿過電解質(zhì)并使電池短路。
去年，中國(guó)的衛(wèi)藍(lán)新能源公司的研究人員報(bào)告了一種鋰金屬負(fù)極(和一種富含鋰的正極)的電池，能量密度在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到了700Wh/kg以上。衛(wèi)藍(lán)新能源的目標(biāo)是開發(fā)和商業(yè)化這種電池。理論上，具有更好電極的鋰金屬電池可以實(shí)現(xiàn)巨大的能量密度，但通常在電池壽命或安全性方面需要權(quán)衡。
另一個(gè)提供高能量密度的想法是鋰硫電池，電池采用鋰金屬負(fù)極和硫正極。但硫與鋰發(fā)生反應(yīng)，生成可溶解的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會(huì)沉積在負(fù)極上。
由于這些問題困擾著具有更好電極的鋰離子電池，許多人認(rèn)為最誘人的解決方案是用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，即全固態(tài)電池。
全固態(tài)電池的概念是使用陶瓷或固體聚合物作為電解質(zhì)，它承載鋰離子的通道，但有助于阻止枝晶的形成。這不僅使使用全鋰負(fù)極變得更容易，隨之而來具有能量密度優(yōu)勢(shì)，而且擺脫了易燃的有機(jī)液體，也意味著消除了可能引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。
此外，全固態(tài)電池的電池結(jié)構(gòu)比液體電池簡(jiǎn)單，從理論上講，全固體電池在低溫(因?yàn)榈蜏貢r(shí)沒有液體變得更粘稠)和高溫(因?yàn)榕c電極的界面在高溫下不會(huì)受到太大影響)下都能更好地工作。
但全固態(tài)電池也存在挑戰(zhàn)，特別是如何在各層之間制造一個(gè)光滑、完美的界面。此外，離子在固體中的傳輸速度比在液體中的傳輸速度要慢，從而限制了功率。而固態(tài)電池需要一種全新的制造工藝。“就目前來看，全固態(tài)電池會(huì)更貴。”加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家Gerbrand Ceder說。
去年，一些電池公司正在向全固態(tài)電池加速邁進(jìn)。例如，位于美國(guó)科羅拉多州的Solid Power公司(與汽車制造商寶馬和福特合作)已經(jīng)開始了一種全固態(tài)電池的中試，該電池采用硅基負(fù)極，能量密度據(jù)稱達(dá)到390Wh/kg。
位于美國(guó)加州的QuantumScape公司(已與包括大眾汽車在內(nèi)的制造商簽署了協(xié)議)生產(chǎn)的全固態(tài)電池具有鋰金屬負(fù)極的優(yōu)點(diǎn)，重量更輕，設(shè)計(jì)中沒有正極。QuantumScape已經(jīng)發(fā)布了一些原型電池的性能數(shù)據(jù)。
但全固態(tài)電池驅(qū)動(dòng)的汽車似乎永遠(yuǎn)都在地平線上。例如，豐田原本計(jì)劃在本世紀(jì)20年代初實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化，現(xiàn)在卻推遲到了本世紀(jì)20年代末。
“豐田在過去十年里說了很多話，但都沒有實(shí)現(xiàn)，”Ceder警告說。固態(tài)電池被吹捧的更高能量密度“在任何商業(yè)規(guī)模上都沒有得到證實(shí)”。
但納扎爾認(rèn)為，這個(gè)時(shí)間框架總體上是現(xiàn)實(shí)的。她表示:“我相信，到2025年，我們可能會(huì)看到其中一些全固態(tài)電池進(jìn)入市場(chǎng)。”尤其是考慮到一些雄心勃勃的中國(guó)公司正在參與，其中包括全球最大電池制造商寧德時(shí)代。
與此同時(shí)，許多研究人員正在尋找改善全固態(tài)電池的方法。例如德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的化學(xué)家詹妮弗·魯普(Jennifer Rupp)在慕尼黑成立了一家名為QKera的公司，該公司生產(chǎn)陶瓷電解質(zhì)的溫度是通常的1000°C的一半。這既有助于限制制造過程中二氧化碳排放，也有助于解決將電解質(zhì)與正極結(jié)合的一些問題。
鋰空氣電池——夢(mèng)幻動(dòng)力電池？
鋰空氣電池使用鋰金屬負(fù)極，而正極則是基于鋰與氧氣的結(jié)合，氧氣從空氣中抽出，在電池充電時(shí)再次釋放出來。這種設(shè)計(jì)讓電池單體可以儲(chǔ)存更多的能量，部分原因是關(guān)鍵的正極成分沒有儲(chǔ)存在電池中。
但這個(gè)想法長(zhǎng)期以來似乎都是推測(cè)性的。“我的一些同事稱之為童話般的化學(xué)，”納扎爾說。
去年，美國(guó)伊利諾斯州萊蒙特阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家拉里·柯蒂斯團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文，展示了一種固態(tài)的實(shí)驗(yàn)性鋰空氣電池，該電池在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過了1000多次循環(huán)測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)表示，其硬幣大小的測(cè)試電池運(yùn)行時(shí)的能量密度約為685Wh/kg，實(shí)際能夠達(dá)到1200Wh/kg，是目前鋰離子電池可達(dá)到的能量密度的4倍，大致與汽車汽油的能量密度相當(dāng)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用了一種新的固體電解質(zhì)物質(zhì)——一種陶瓷聚合物，以前的鋰空氣電池項(xiàng)目通常使用液態(tài)電解質(zhì)，在正極生成超氧化物鋰(LiO2)或過氧化鋰(Li2O2)，每個(gè)氧分子存儲(chǔ)一到兩個(gè)電子。這種新型電池可以生成可以容納4個(gè)電子的氧化鋰(Li2O)。這些額外的電子轉(zhuǎn)化為更高的能量密度，系統(tǒng)似乎比以前的更穩(wěn)定，使得電池具有更長(zhǎng)的壽命。
拉里·柯蒂斯說，考慮到該電池的能量密度很大，該團(tuán)隊(duì)正在考慮將航空作為該技術(shù)的最佳應(yīng)用。
溫弗里德·威爾克評(píng)價(jià)說，這項(xiàng)成果令人驚訝，“他們可以使用含有水分、二氧化碳和其他垃圾的普通臟空氣，這些都是未經(jīng)過濾的空氣。”
不過，仍然有許多人表示， 在興奮之前，他們希望看到成果得到復(fù)制。雖然這是一個(gè)很棒的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，但目前還不清楚它在實(shí)踐中如何工作——例如，如何讓空氣進(jìn)出，以及能否把電池造得更大，在更高的電流下工作。
成本還是動(dòng)力電池繞不開的話題
隨著對(duì)神奇電池的不斷探索，一些科學(xué)家還認(rèn)為，最緊迫的問題，是需要選擇一種從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看既便宜又可持續(xù)的電池化學(xué)物質(zhì)。
“最大的挑戰(zhàn)是與資源相關(guān)的，”加州大學(xué)伯克利分校的材料學(xué)家Ceder說，他計(jì)算出，到2050年，汽車所需14太瓦時(shí)電池將總體需要1400萬噸金屬。相比之下，目前全球每年鋰的開采量約為13萬噸，而鈷的開采量接近20萬噸，鎳的開采量為330萬噸——包括非電動(dòng)汽車電池和含鎳的不銹鋼。
許多研究人員和公司正在嘗試制造不使用鎳、鈷或其他昂貴金屬的電池。例如，QuantumScape公司表示，他們的電池具有這種優(yōu)勢(shì)，鋰空氣概念電池、已經(jīng)商業(yè)化的磷酸鐵鋰也具有這種優(yōu)勢(shì)(但如果這種技術(shù)大規(guī)模發(fā)展，磷酸鐵鋰可能會(huì)對(duì)磷資源造成壓力)。
Ceder正在研究一種叫做無序巖鹽(DRX)8的替代正極。原理是鋰離子可以在晶體正極中蜿蜒穿行，而不是沿著有序的路徑層層穿過，因此正極幾乎可以用任何過渡金屬制成。Ceder的團(tuán)隊(duì)傾向于錳和鈦。他預(yù)計(jì)第一批帶有DRX正極的電池將比目前的鋰離子電池更便宜，并達(dá)到相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?br /> 也許最終的目標(biāo)是擺脫鋰本身——由于需求的激增和供應(yīng)的瓶頸。研究人員曾嘗試用鎂、鈣、鋁和鋅等大量其他材料替代鋰，但在鈉方面的工作最為先進(jìn)。
鈉在元素周期表中位于鋰的正下方，使其原子更重更大，但具有相似的化學(xué)性質(zhì)。這意味著鋰電池開發(fā)和制造的許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以復(fù)制到鈉電池上。而且鈉更容易獲得：它在地殼中的含量大約是鋰的1000倍。
Ceder認(rèn)為，鈉電池的成本最終可能在每千瓦時(shí)50美元左右。
鈉電池已經(jīng)投入商業(yè)化生產(chǎn)。比亞迪第一家鈉離子電池廠已經(jīng)破土動(dòng)工，中國(guó)汽車制造商奇瑞、江淮今年都宣布推出鈉離子電池驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型汽車，這些小型車的標(biāo)價(jià)預(yù)計(jì)在1萬美元左右。
從好的方面來看，鈉的原子尺寸更大，為正極層狀金屬氧化物提供了更多的選擇，研究人員還可以用鈉制造一種無負(fù)極的固態(tài)電池。
但鈉電池的問題不是沒有。與鋰相比，鈉的重量更重，從根本上說，很難達(dá)到高能量密度——鈉離子電池的能量密度現(xiàn)在大致相當(dāng)于十年前最好的鋰離子電池。寧德時(shí)代的鈉電池在2021年達(dá)到了160Wh/kg的宣傳能量密度，據(jù)報(bào)道，價(jià)格為每千瓦時(shí)77美元。寧德時(shí)代表示，下一代鈉電池的能量密度將提高到200Wh/kg。
較低的能量密度意味著續(xù)航范圍有限。預(yù)計(jì)使用鈉電池的超緊湊型汽車的續(xù)航里程約為250-300公里，而鋰電池驅(qū)動(dòng)的特斯拉Model S的續(xù)航里程接近600公里。
另外一些公司，包括英國(guó)的Faradion和瑞典的Northvolt，正在推廣他們的鈉電池（能量密度也都被公告為160Wh/kg)，為電網(wǎng)儲(chǔ)存多余的可再生能源。
電池需要更環(huán)保
《自然》雜志指出，新電池的開發(fā)工作漫長(zhǎng)而繁重，因?yàn)椴牧系男阅懿⒉豢偸强深A(yù)測(cè)的。不過，人工智能(AI)和自動(dòng)合成將提供幫助。例如，美國(guó)能源部位于華盛頓州的西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在與微軟公司合作，迅速研發(fā)出新的電池材料，以這種方式發(fā)現(xiàn)的鋰鈉固體電解質(zhì)目前正處于初步測(cè)試階段。
關(guān)于動(dòng)力電池的未來，專家們說，我們很可能會(huì)在未來的汽車上看到一系列的電池——就像今天的2缸、4缸和6缸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。
例如，我們可能會(huì)在低端汽車、叉車或?qū)I(yè)車輛上看到鈉電池或磷酸鐵鋰電池；可能會(huì)有使用硅負(fù)極或巖鹽正極的鋰離子電池，或者全固態(tài)電池用于中檔汽車；可能會(huì)有用于高端汽車或飛行汽車的鋰金屬電池甚至鋰空氣電池。
但這些都還有很多工作要做。 “所有尚未商業(yè)化的化學(xué)物質(zhì)都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。”位于弗吉尼亞州的美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室的化學(xué)工程師布萊恩·坎寧安稱，“我們的工作就是消除所有這些弊端。”
