鋰離子電池革命僅余10年 其性能和價格的演進(jìn)速度正在放緩

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(jìn)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(guī)模發(fā)展將受到限制!

文章認(rèn)為,造成上述問題的主要原因包括以下幾點:

一是因為技術(shù)已近極致,且尚未突破。

在電極材料的晶體結(jié)構(gòu)中,可以儲存的電荷量快要接近理論最大值;市場規(guī)模的增長難以繼續(xù)帶來大幅度的價格降低。

二是現(xiàn)有資源開始短缺,而替代材料尚未出現(xiàn)。

目前普遍采用的電極材料,如鈷和鎳十分稀缺,且價格昂貴,如果沒有任何新的變化,預(yù)計在2030~2037年間(或更早),鈷和鎳的需求量就會超過產(chǎn)量。另一方面,新的替代電極材料,如儲量豐富的鐵、銅,則還處于早期研究階段。

自1990年首次問世以來,鋰離子電池在消費性電子產(chǎn)品、儲能(家用、公用事業(yè))、電動汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大,其性能大幅提升、價格大幅下降。

而驅(qū)動鋰離子電池的成本下降和性能提升的四個關(guān)鍵因素中,化學(xué)材料則是其中最重要的一項。

電池的性能受兩極化學(xué)材料的影響。陰極材料主要包括鋰鎳錳鈷(NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)、鋰錳氧化物(LMO)和磷酸鐵鋰(LFP);陽極材料大多數(shù)采用石墨,重型汽車中為增加循環(huán)壽命,也會使用鈦酸鋰(LTO)。

NMC和NCA技術(shù)的主要優(yōu)點是能量密度更高,主導(dǎo)了輕型電池市場;

LFP的能量密度低,但得益于更高的循環(huán)壽命和安全性能,它成為重型電動汽車(即客車)采用的主要化學(xué)物質(zhì)。

化學(xué)材料對電池成本有著較大的影響,LFP-Gr最為昂貴,約為240美元/千瓦時,比最便宜的NMC811-Gr電池高出約20%。

根據(jù)IEA的分析,鋰離子電池雖然能在未來的二十年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo),但其化學(xué)材料將逐漸發(fā)生變化。

2025年前后,新一代擁有低鈷、高能量密度和陰極鋰鎳錳鈷(NMC)811等特性的鋰離子電池將進(jìn)入量產(chǎn)。在石墨陽極中加入少量的硅,可將能量密度提高50%,而能夠承受較高電壓的電解質(zhì)鹽也將有助于提高性能。

2025年至2030年期間,鋰金屬為陰極、石墨/硅復(fù)合材料為陽極的鋰離子電池可能會進(jìn)入設(shè)計階段,甚至還可以引入固態(tài)電解質(zhì)以進(jìn)一步提高能量密度和電池安全性。此外,鋰離子技術(shù)可能會被鋰空氣、鋰硫等其他有著更高能量密度和更低理論成本的電池所取代。但實際上,這些技術(shù)的發(fā)展水平仍非常低,實際性能尚待測試。