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全世界的电池越来越多。2022 年,电动汽车全球销量占比超过 10%,到 2030 年有望达到 30%。
世界各地的政策只会加速这种增长:美国最近的气候立法正在向电池制造投入数十亿美元,并鼓励购买电动汽车。欧盟和美国的几个州通过了从 2035 年禁止燃油车的禁令。
这种转变将需要大量的电池,以及更好、更便宜的电池。如今,大多数电动汽车都由锂离子电池供电,这项技术已有几十年的历史,被广泛用于笔记本电脑和手机。
这么多年的发展也帮助压低了价格,提高了性能,所以今天的电动汽车正接近燃油车的价格,每次充电可以行驶数百公里。
人们通过锂离子电池也发现了新的应用,包括电网上的电力存储、可以帮助平衡风能和太阳能等间歇性可再生能源等。
图 | 宝马计划在南卡罗来纳州的新工厂投资 17 亿美元,生产电动汽车及其电池(来源:AP PHOTO/SEAN RAYFORD)
但目前仍有很大的改进空间。科研实验室和公司都在寻找改进技术的方法,提高容量、加快充电时间和削减成本。
研究的目标是用上更便宜的电池,为电网提供廉价的存储方案,并允许电动汽车在充电后行驶更远的距离。
与此同时,对钴和锂等关键电池材料供应的担忧,正在推动寻找锂离子化学材料的替代品。
在对电动汽车和可再生能源的需求飙升、以及电池发展的激增之中,有一件事是肯定的:电池将在向可再生能源的过渡中发挥关键作用。
彻底的重新思考
一些截然不同的电动汽车电池生产方法可能会在 2023 年取得进展,尽管它们可能需要更长的时间才能产生商业影响。
2023 年需要关注的一个进展是所谓的固态电池。锂离子电池和相关的化学物质使用液体电解质来循环充电,固态电池用陶瓷或其他固体材料取代了液体。
这种转变开启了向更小的空间注入更多能量的可能性,有可能改善电动汽车的续航里程。固态电池也可以更快地移动电荷,这意味着更短的充电时间。
固态电池的支持者还认为,这种技术可以通过降低火灾风险来提高安全性,因为电解质中使用的一些溶剂可能是易燃的。
固态电池可以使用多种化学物质,但商业化的主要候选者是使用金属锂。例如,Quantumscape 公司专注于这项技术,并在 2020 年上市前筹集了数亿美元的资金。该公司与大众汽车达成了一项协议,预计到 2025 年将其电池安装到大众旗下的汽车上。
但事实证明,完全重塑电池是很困难的。除了制造方面的难题,人们还担心随着时间的推移,锂金属电池会退化。
Quantumscape 公司于 2022 年 12 月底宣布,已将样品交付汽车合作伙伴进行测试,这有望成为固态电池正式上路的一个重要里程碑。
其他固态电池玩家,比如 Solid Power 也在努力制造和测试他们的电池。不过,尽管这些公司也可能在 2023 年实现重大进展,但它们的电池大概不会在今年上路使用。
固态电池并不是唯一需要注意的新技术,钠离子电池技术也与今天常见的锂离子截然不同。
这些电池的设计类似于锂离子电池,包括使用了液体电解质等,但它们不依赖于锂,而是使用钠作为主要的化学成分。
据报道,中国电池巨头宁德时代计划在 2023 年开始大规模生产这些电池。钠离子电池可能不能提高性能,但它们可以降低成本,因为它们依赖于比锂离子化学材料更便宜、更广泛的材料。
但目前尚不清楚这些电池,能否满足电动汽车续航里程和充电时间的需求,这就是为什么一些追求这项技术的公司比如美国的 Natron,瞄准了要求较低的应用,如固定存储或电动自行车和摩托车等中小型移动设备。
能源研究机构 BloombergNEF 的能源存储主管弥生世金()指出,如今针对固定电网存储的电池市场规模很小,大约是电动汽车电池市场规模的十分之一。
但是,随着安装更多的可再生能源,对电力储存的需求正在增长,因为风能和太阳能等主要的可再生能源是不可控的,而电池可以在需要的时候帮助储存能源。
锂离子电池并不是理想的固定存储,尽管它们被广泛使用。虽然电动汽车的电池更小、更轻、更快,但固定存储的主要目标是降低成本。大小和重量对电网存储并不重要,这意味着不同的化学物质很可能受到青睐。
在固定储存领域,铁也受到了格外关注。两家公司可能会在未来一年间宣布进展:Form Energy 公司正在开发一种铁-空气电池,它使用水基电解质,本质上是通过可逆生锈来储存能量。
该公司最近宣布,将在美国西弗吉尼亚州的威尔顿成立一个价值 7.6 亿美元的制造工厂,计划于 2023 年开始建设。
另一家名为 ESS 的公司正在制造一种不同类型的铁电池,采用类似的化学成分。它已经开始在美国俄勒冈州威尔逊维尔的总部进行生产。
标准的改变
锂离子电池越来越好,也越来越便宜,但研究人员正在进一步调整技术,以实现更高的性能和更低的成本。
其中一些动机来自于电池材料的价格波动,这可能会促使企业改变化学成分。“这是一个成本游戏,” 说。
阴极通常是电池中最昂贵的部件之一,而一种被称为镍锰钴(nickel manganese cobalt)的阴极是当今电动汽车电池使用的主要材料。
但除了锂之外,这三种元素都很昂贵,所以削减部分或全部元素可能有助于降低成本。
2023 年我们可能看到替代方案的突破:磷酸铁锂(lithium iron phosphate),这是一种低成本的阴极材料,有时被用于锂离子电池。
最近在磷酸铁锂化学和制造方面的新成果,帮助提高了这些电池的性能,企业也开始采用这项技术。磷酸铁锂的市场份额正在迅速增长,从 2018 年全球电动汽车市场的约 10% 上升到 2022 年的约 40%。
特斯拉已经在一些汽车上使用了磷酸铁锂电池,福特和大众等汽车制造商宣布,他们也计划开始为一些车型提供这种电池。
虽然电池的研究倾向于集中在阴极化学上,但阳极也不容忽视。如今,无论阴极的组成如何,锂离子电池中的大多数阳极都是用石墨来容纳锂离子。但硅等替代品可能有助于提高能量密度,加快充电速度。
硅阳极多年来一直是研究的对象,但从历史上看,它们的寿命还不足以支撑大型产品。不过,现在各公司正开始扩大这种材料的生产。
2021 年,初创公司 Sila 开始为可穿戴健身设备的电池生产硅阳极。该公司最近获得了美国能源部提供的 1 亿美元拨款,用于帮助在华盛顿的摩西湖市建立一个制造工厂。该工厂将为 Sila 与奔驰的合作生产产品,预计将从 2025 年开始生产电动汽车电池的材料。
其他初创公司正在努力将硅和石墨混合在一起,形成阳极。比如 Sionic Energy公司,以及与通用汽车合作的 OneD Battery Sciences 公司,都有望在 2023 年进一步实现商业化。
政策决定产品
2022 年底,美国通过了《降低通货膨胀法案》,为气候和清洁能源拨出了近 3700 亿美元的资金,其中包括数亿美元用于电动汽车和电池制造。“每个人都在关注这项法案,”麻省理工学院的材料研究人员、多家电池公司的创始人蒋业明()表示。
《降低通货膨胀法案》将向美国的电池制造商提供贷款和资助,以提高产能。此外,该法律中的电动汽车税收抵免,鼓励汽车制造商从美国或其自由贸易伙伴那里采购电池材料,并在北美生产电池。
由于《降低通货膨胀法案》的补助和电动汽车税收抵免限制,汽车制造商将继续宣布在美国补充新的产能,并寻找材料方面的新方法。
所有这些都意味着,人们对锂离子电池的关键成分的需求将会越来越多,包括锂、钴和镍。
由该法案可能带来的一个结果是,人们对电池回收的兴趣正在增加。虽然短期内没有足够的淘汰电动汽车,来满足对于一些关键材料的需求,但回收利用正开始升温。
在这方面,宁德时代和其他中国公司在电池回收方面处于领先地位。不过在 2023 年,北美和欧洲等其他主要电动汽车市场可能会出现显著增长。
总部位于美国内华达州的 Redwood Materials 和总部位于加拿大多伦多的 Li-Cycle 公司正在建设设施,并致力于分离和净化锂和镍等关键的土电池,以便在电池中重复使用。
Li-Cycle 公司将于 2023 年开始调试其主要回收设施。Redwood Materials 公司则已经开始在内华达州的工厂生产一种铜箔作为其首款产品。最近它还宣布,计划从 2023 年开始在南卡罗来纳州建造第二家工厂。
总体来说,通过全球各地政策所注入的大量资金,推动了对电动汽车及其电池的需求,因此对于电池产业来说,2023 年将是值得关注的一年。
支持:Ren
原文:
https://www.technologyreview.com/2023/01/04/1066141/whats-next-for-batteries/
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