鋰電池發(fā)展決定電動汽車的前途

　　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》(Ten years left to redesign lithium-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。

　　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(yè)化的鋰離子電池——它們相對緊湊和穩(wěn)定。但它們?nèi)赃^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(wěn)步提高。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);成本也下降了30倍，降至每千瓦時150美元左右。但是，這仍高于美國能源部設(shè)定的每千瓦時100美元的負(fù)擔(dān)能力目標(biāo)。一輛電動汽車(50-100千瓦時)仍需要負(fù)載重達(dá)600公斤左右的電池，占用500升空間。

　　另一方面，隨著傳統(tǒng)技術(shù)接近基本極限，技術(shù)進(jìn)步的步伐正在放緩，因為在電極材料晶體結(jié)構(gòu)的間隙中可以儲存的電荷量已接近理論最大值。研究人員預(yù)計，接下來市場的增長，并不會大幅降低價格——因為市場已經(jīng)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。

　　汽車制造商和政府預(yù)計，到2025年，每年將生產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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。

　　如果沒有任何變化，20年內(nèi)需求將超過產(chǎn)量。我們預(yù)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。

　　到2050年，每年生產(chǎn)5000萬到8000萬輛電動汽車將需要50萬到80萬噸鈷。而從2030年開始，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)30年代中期，鎳的短缺將很明顯。

　　而一旦供應(yīng)達(dá)到峰值，電動汽車電池的價格可能會上漲超過1000美元。

　　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會產(chǎn)生放電電流，為汽車提供動力。而當(dāng)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(gòu)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。

　　目前最有希望的替代方法是在電極中使用轉(zhuǎn)換材料，用銅、鐵、氟化物和硅與鋰離子發(fā)生反應(yīng)。通過轉(zhuǎn)換陰極中的過渡金屬，電池可以容納比標(biāo)準(zhǔn)陰極多6倍的鋰原子。