距离锂电子电池革命仅余10年?如何应对电动汽车大规模发展?

早在去年出版的《自然》（Nature 559, 467-470 ）杂志上，一篇题为《距离锂电子电池革命仅余10年》（Ten years left to redesign lithium-ionbatteries）的文章指出，锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓。如果不加大对基于储量丰富的铁、铜等材料的电极材料的研究，电动汽车的大规模发展将受到限制。

电动汽车需要功能强大、重量轻、价格实惠的电池。最好的选择是商业化的锂离子电池——它们相对紧凑和稳定。但它们仍过于笨重和昂贵，无法广泛使用。

二十年来，可充电锂离子电池的性能稳步提高。电池组所储存的能量是原来的三倍多，从每升200瓦时(Wh - 1)增加到700瓦时(Wh - 1)；成本也下降了30倍，降至每千瓦时150美元左右。但是，这仍高于美国能源部设定的每千瓦时100美元的负担能力目标。一辆电动汽车(50-100千瓦时)仍需要负载重达600公斤左右的电池，占用500升空间。

另一方面，随着传统技术接近基本极限，技术进步的步伐正在放缓，因为在电极材料晶体结构的间隙中可以储存的电荷量已接近理论最大值。研究人员预计，接下来市场的增长，并不会大幅降低价格——因为市场已经很大了。

研究人员警告说，必须尽快找到钴、镍和其他稀有金属的替代品，以满足电动汽车电池日益增长的需求，因为它们的稀缺正在推高价格:在过去两年中，钴、镍和其他稀有金属的价格翻了两番，从每公斤22美元涨到了每公斤81美元。

汽车制造商和政府预计，到2025年，每年将生产1000万到2000万辆电动汽车。如果每个汽车电池需要10公斤的钴，到2025年，电动汽车每年需要10-20万吨的钴——这是世界目前产量的大部分。同样地，每年需要40-80万吨镍，占今天所用金属的20-40%。当卡车、公共汽车、飞机和船只改用电池供电时，还需要更多的电力。

如果没有任何变化，20年内需求将超过产量。我们预计钴的价格将在2030年前上涨，镍的价格将在2037年或更早的时候上涨。

到2050年，每年生产5000万到8000万辆电动汽车将需要50万到80万吨钴。而从2030年开始，这将远远超过目前的采矿能力。同样，到2050年，镍的需求量将增加2-3倍。到本世纪30年代中期，镍的短缺将很明显。

而一旦供应达到峰值，电动汽车电池的价格可能会上涨超过1000美元。

锂离子电池通过在两个电极之间移动锂离子来工作，从阳极流向阴极的离子会产生放电电流，为汽车提供动力。而当电池充电时，锂离子会回流。

在如今用于电动汽车的商用电池中，锂离子被保存在构成电极的晶体中的微小空隙中(这些晶体被称为插层电极)。阳极通常由石墨制成，阴极由金属氧化物制成。用于电极的材料，特别是稀有金属，如钴和镍，既稀有又昂贵。

目前最有希望的替代方法是在电极中使用转换材料，用铜、铁、氟化物和硅与锂离子发生反应。通过转换阴极中的过渡金属，电池可以容纳比标准阴极多6倍的锂原子。