夢幻電池來了?能量密度是現有鋰電池4倍

                  發布日期:2024-02-19  來源:澎湃新聞

                  核心提示:電動汽車電池領域正在醞釀一場革命。去年,美國的阿貢實驗室宣布已經將鋰空氣電池的循環次數提升到了1000次,這種電池的正極是空
                  電動汽車電池領域正在醞釀一場革命。
                  去年,美國的阿貢實驗室宣布已經將鋰空氣電池的循環次數提升到了1000次,這種電池的正極是空氣,能量密度是傳統鋰離子電池的4倍——1200Wh/kg,可以儲存足夠的能量為飛機提供動力。
                  而據《日經中文網》2月18日最新報道,日本大阪大學的教授中西周次等人在日本科學技術振興機構(JST)的支持下,已從今年2月開始與美國、德國和英國展開截至2028年末的國際聯合研究,力爭在2030年代前半期將鋰空氣電池推向商業化。
                  同日,澎湃新聞記者還從全球動力電池龍頭寧德時代首席科學家吳凱了解到,寧德時代目前已有鋰空氣電池方面的基礎研究,但離產業化較遠。
                  市場呼喚新型動力電池
                  近日,《自然》發表了一篇對人類未來電動汽車電池技術的展望的文章,作者援引諸多學界研究者的觀點表示,盡管現目前已成功商業化應用的鋰離子電池很難被擊敗,但一系列的選擇將很快填補不同的細分市場。
                  在這其中,鋰空氣電池由于其超高的能量密度(超越全固態電池),被認為將可能最終應用于電動飛機和高端汽車。
                  根據國際能源署預測,全球道路上的電動汽車存量將從2021年的1650萬輛增加到2030年的近3.5億輛,到2050年,電動汽車電池的需求將達到14太瓦時(TWh),是2020年的90倍。
                  《自然》指出,電動汽車的電池有一系列嚴格的要求。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。另一方面,需要具備足夠的功率,充電速度快,壽命長(通常的標準是承受1000次完全充電循環,消費者應該可以使用10-20年),此外,電池還需要在很寬的溫度范圍內工作良好,安全且價格合理。
                  加拿大滑鐵盧大學的電池研究員琳達·納扎爾 (Linda Nazar) 對《自然》表示:“一次優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。2017年,美國能源部(DoE)啟動了“電池500”(Battery500)計劃,目標是將電池能量密度提高到每公斤500瓦時(Wh /kg),與當今最好的鋰電池產品相比,提高了65%。
                  2023年,美國能源高級研究計劃局(Advanced Research Projects Agency-Energy)啟動了“PROPEL-1K”計劃,雄心勃勃地瞄準了能量密度1000Wh /kg的長期目標。
                  至于動力電池的成本,美國能源部汽車技術辦公室的目標是到2030年達到每千瓦時60美元,大約是今天價格的一半,這意味著電動汽車的價格,將與那些汽油發動機驅動的汽車的成本持平。
                  但《自然》也指出,關于尚未發布的電池或汽車的商業公告中,有時會過于強調一種指標,而在電池在實際汽車上進行多年測試之前,專利的聲明不具備說服力。
                  關于未來,許多電池化學物質仍具有誘人的可能性。

                  動力電池電極的進化路徑
                  動力電池的結構實際更像是一種化學“三明治”,其工作原理是通過一些中間材料(電解質)將帶電離子從一邊(負極)傳送到另一邊(正極),而電子在外部電路中流動。給電池充電意味著將離子分流回負極。
                  現如今,大多數電動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極和由金屬氧化物制成的正極之間移動,兩者都在原子層之間容納鋰離子。電解質通常是一種有機液體。
                  鋰離子電池自1991年商業化以來已經有了很大的改進:電池的能量密度幾乎增加了兩倍,而價格卻下降了一個數量級。
                  隨著進一步的改進,不少觀點仍然認為,鋰離子電池將在很長一段時間內占據主導地位。加州洛斯阿爾托斯最近退休的科學家溫弗里德·威爾克(Winfried Wilcke)說:“我認為鋰離子電池技術在未來幾十年內仍將是電動汽車電池的主流,因為它足夠好。”
                  到目前為止,鋰離子電池的大部分改進都來自于電池正極材料的改變,從而產生了多種商業電池類型。第一類在筆記本電腦中很流行,正極使用鈷酸鋰,電池重量相對較輕,但價格昂貴。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較低。
                  磷酸鐵鋰電池的價格使其具有吸引力,許多研究人員和公司都在努力改進。例如,從2021年開始,美國電動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。
                  對于鋰離子電池而言,電池正極還有更多調整的余地。例如在鎳鈷錳電池中,研究人員一直在減少更昂貴的鈷,轉而使用鎳,鎳也能提供更高的能量密度。順著這條道路,已經產生了商業化的鎳含量為80%的NCM811電池正極,研究人員現在正在研究鎳含量為90%的NCM955。

                  與此同時,在負極,一個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存10倍以上的鋰原子。挑戰在于,在充放電循環中,硅會膨脹和收縮約300%,給電池帶來很大的結構壓力,并限制其使用壽命。
                  比硅負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,因為無需等待鋰離子在任何層之間插入。但這種電池的一個大問題是,在充電過程中,鋰傾向于不均勻地重新沉積在負極上,形成枝晶,穿過電解質并使電池短路。
                  去年,中國的衛藍新能源公司的研究人員報告了一種鋰金屬負極(和一種富含鋰的正極)的電池,能量密度在實驗室中達到了700Wh/kg以上。衛藍新能源的目標是開發和商業化這種電池。理論上,具有更好電極的鋰金屬電池可以實現巨大的能量密度,但通常在電池壽命或安全性方面需要權衡。
                  另一個提供高能量密度的想法是鋰硫電池,電池采用鋰金屬負極和硫正極。但硫與鋰發生反應,生成可溶解的產物,這些產物會沉積在負極上。
                  由于這些問題困擾著具有更好電極的鋰離子電池,許多人認為最誘人的解決方案是用固體電解質代替液體電解質,即全固態電池。
                  全固態電池的概念是使用陶瓷或固體聚合物作為電解質,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極變得更容易,隨之而來具有能量密度優勢,而且擺脫了易燃的有機液體,也意味著消除了可能引起火災的危險。
                  此外,全固態電池的電池結構比液體電池簡單,從理論上講,全固體電池在低溫(因為低溫時沒有液體變得更粘稠)和高溫(因為與電極的界面在高溫下不會受到太大影響)下都能更好地工作。
                  但全固態電池也存在挑戰,特別是如何在各層之間制造一個光滑、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。而固態電池需要一種全新的制造工藝。“就目前來看,全固態電池會更貴。”加州大學伯克利分校的材料科學家Gerbrand Ceder說。
                  去年,一些電池公司正在向全固態電池加速邁進。例如,位于美國科羅拉多州的Solid Power公司(與汽車制造商寶馬和福特合作)已經開始了一種全固態電池的中試,該電池采用硅基負極,能量密度據稱達到390Wh/kg。
                  位于美國加州的QuantumScape公司(已與包括大眾汽車在內的制造商簽署了協議)生產的全固態電池具有鋰金屬負極的優點,重量更輕,設計中沒有正極。QuantumScape已經發布了一些原型電池的性能數據。
                  但全固態電池驅動的汽車似乎永遠都在地平線上。例如,豐田原本計劃在本世紀20年代初實現固態電池的商業化,現在卻推遲到了本世紀20年代末。
                  “豐田在過去十年里說了很多話,但都沒有實現,”Ceder警告說。固態電池被吹捧的更高能量密度“在任何商業規模上都沒有得到證實”。
                  但納扎爾認為,這個時間框架總體上是現實的。她表示:“我相信,到2025年,我們可能會看到其中一些全固態電池進入市場。”尤其是考慮到一些雄心勃勃的中國公司正在參與,其中包括全球最大電池制造商寧德時代。
                  與此同時,許多研究人員正在尋找改善全固態電池的方法。例如德國慕尼黑工業大學的化學家詹妮弗·魯普(Jennifer Rupp)在慕尼黑成立了一家名為QKera的公司,該公司生產陶瓷電解質的溫度是通常的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與正極結合的一些問題。
                  鋰空氣電池——夢幻動力電池?
                  鋰空氣電池使用鋰金屬負極,而正極則是基于鋰與氧氣的結合,氧氣從空氣中抽出,在電池充電時再次釋放出來。這種設計讓電池單體可以儲存更多的能量,部分原因是關鍵的正極成分沒有儲存在電池中。

                  但這個想法長期以來似乎都是推測性的。“我的一些同事稱之為童話般的化學,”納扎爾說。
                  去年,美國伊利諾斯州萊蒙特阿貢國家實驗室的材料科學家拉里·柯蒂斯團隊發表了一篇論文,展示了一種固態的實驗性鋰空氣電池,該電池在實驗室中經過了1000多次循環測試。該團隊表示,其硬幣大小的測試電池運行時的能量密度約為685Wh/kg,實際能夠達到1200Wh/kg,是目前鋰離子電池可達到的能量密度的4倍,大致與汽車汽油的能量密度相當。
                  這個實驗室使用了一種新的固體電解質物質——一種陶瓷聚合物,以前的鋰空氣電池項目通常使用液態電解質,在正極生成超氧化物鋰(LiO2)或過氧化鋰(Li2O2),每個氧分子存儲一到兩個電子。這種新型電池可以生成可以容納4個電子的氧化鋰(Li2O)。這些額外的電子轉化為更高的能量密度,系統似乎比以前的更穩定,使得電池具有更長的壽命。
                  拉里·柯蒂斯說,考慮到該電池的能量密度很大,該團隊正在考慮將航空作為該技術的最佳應用。
                  溫弗里德·威爾克評價說,這項成果令人驚訝,“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制。雖然這是一個很棒的能量儲存系統,但目前還不清楚它在實踐中如何工作——例如,如何讓空氣進出,以及能否把電池造得更大,在更高的電流下工作。
                  成本還是動力電池繞不開的話題
                  隨著對神奇電池的不斷探索,一些科學家還認為,最緊迫的問題,是需要選擇一種從長遠來看既便宜又可持續的電池化學物質。
                  “最大的挑戰是與資源相關的,”加州大學伯克利分校的材料學家Ceder說,他計算出,到2050年,汽車所需14太瓦時電池將總體需要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勢,鋰空氣概念電池、已經商業化的磷酸鐵鋰也具有這種優勢(但如果這種技術大規模發展,磷酸鐵鋰可能會對磷資源造成壓力)。

                  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的團隊傾向于錳和鈦。他預計第一批帶有DRX正極的電池將比目前的鋰離子電池更便宜,并達到相當的能量密度。
                  也許最終的目標是擺脫鋰本身——由于需求的激增和供應的瓶頸。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。
                  鈉在元素周期表中位于鋰的正下方,使其原子更重更大,但具有相似的化學性質。這意味著鋰電池開發和制造的許多經驗教訓可以復制到鈉電池上。而且鈉更容易獲得:它在地殼中的含量大約是鋰的1000倍。
                  Ceder認為,鈉電池的成本最終可能在每千瓦時50美元左右。
                  鈉電池已經投入商業化生產。比亞迪第一家鈉離子電池廠已經破土動工,中國汽車制造商奇瑞、江淮今年都宣布推出鈉離子電池驅動的經濟型汽車,這些小型車的標價預計在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極的固態電池。
                  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,很難達到高能量密度——鈉離子電池的能量密度現在大致相當于十年前最好的鋰離子電池。寧德時代的鈉電池在2021年達到了160Wh/kg的宣傳能量密度,據報道,價格為每千瓦時77美元。寧德時代表示,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航范圍有限。預計使用鈉電池的超緊湊型汽車的續航里程約為250-300公里,而鋰電池驅動的特斯拉Model S的續航里程接近600公里。
                  另外一些公司,包括英國的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),為電網儲存多余的可再生能源。
                  電池需要更環保
                  《自然》雜志指出,新電池的開發工作漫長而繁重,因為材料的性能并不總是可預測的。不過,人工智能(AI)和自動合成將提供幫助。例如,美國能源部位于華盛頓州的西北太平洋國家實驗室正在與微軟公司合作,迅速研發出新的電池材料,以這種方式發現的鋰鈉固體電解質目前正處于初步測試階段。
                  關于動力電池的未來,專家們說,我們很可能會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缸發動機一樣。
                  例如,我們可能會在低端汽車、叉車或專業車輛上看到鈉電池或磷酸鐵鋰電池;可能會有使用硅負極或巖鹽正極的鋰離子電池,或者全固態電池用于中檔汽車;可能會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。 “所有尚未商業化的化學物質都各有其優缺點。”位于弗吉尼亞州的美國能源部車輛技術辦公室的化學工程師布萊恩·坎寧安稱,“我們的工作就是消除所有這些弊端。”


                   
                   
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