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吕锡民 :电动车电池材料的性能和成本

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【大纪元2019年04月11日讯】一般民众普遍认为,可充电电池在可承受成本下,至少能够行驶500公里范围,是电动车能为消费者接受,并实现市场普及与渗透的必要条件。因此,锂离子电池除了电池价值链以及能量密度和成本方面需要进行重大改进之外,其他储能性能关键指标,如使用寿命、安全性、快速充电能力和低温性能也需要持续加强。

回顾过去,1900年到1912年之间曾是电动车盛行的黄金年代。1912年,美国路上行驶的电动车数量曾经达到30,000辆。这些电动车大多数是由铅酸电池提供动力。在今天,全球约有13亿部车辆几乎全部使用铅酸电池进行启动、照明和点火等动作。经过一个世纪的内燃机霸权,运输部门脱碳的必要性预计将导致电动车另一个黄金时代的来临;2016年,仅在美国就售出了160,000辆插电式混合动力车。

镍氢电池已成为混合动力车的首选。镍氢电池的标称电池电压为1.2伏特,可分别提供高达80瓦时/公斤的比能量和250瓦时/公升的能量密度。然而,库仑效率(70%)和能源效率(65%)甚至低于铅酸电池。

如今,插电式混合动力车和电池电动车仅使用锂离子电池进行动力推进,单一电池高能量含量水平分别达到260瓦时/公斤和700瓦时/公升,同时具有更高的库仑(99%)和能源效率(高达95%)。锂离子电池的主要优势在于可以设计成大范围内的不同功率与能量比,例如,混合动力车(HEV)、插电式混合动力车(PHEV)、电池式电动车(BEV)的功率:能量比分别为15、8、3。

为了实现大规模市场渗透,美国能源部和先进电池联盟估计电池式电动车至少需要具备充电一次就能行驶500公里的能力,此乃相当于约235瓦时/公斤和500瓦时/公升的电池组(pack)水平,或者500瓦时/公斤和750瓦时/公升的电池(cell)水平。此外,包装成本也要低于125美元/千瓦时。此处应该特别指出,关于能源密度和成本,我们还有其他更乐观的看法,依据相关文献,最先进汽车锂离子电池组件的比能量和能量密度已经达到130-140瓦时/公斤和210瓦时/公升的境界。

关于阳极化学方面,碳质材料特别是合成石墨、人造石墨(AG)、天然石墨(NG)以及非晶(硬、软)碳,皆可以被认为是最先进的阳极材料。在电动车应用上,人造石墨和天然石墨相互比较,前者显示极高的纯度和较低的品质波动。通常,非晶碳和石墨碳混合物被使用,从而最佳化应用上的不同特性。

锂金属被认为是最有希望的未来阳极材料,特别是以陶瓷或聚合物为电解质的全固态电池,目前已使用在Bolloré锂金属聚合物电池。2016年石墨阳极的市场份额为AG(43%)、NG(46%),仅有7%为非晶碳,这清楚说明了碳基阳极材料的主导地位。相比之下,钛酸锂(LTO)和硅基阳极材料分别仅占2%左右。

自从锂离子电池商业化以来,阴极已被证明是比容量的瓶颈。用于汽车电池正活性材料的关键条件,包括高比容量、大体积容量、相对于Li/Li+的高放电电位、高固有安全性、高紧密度、快速动力学和良好的容量保持。由于具有高技术成熟度,LiMO2型层状氧化物阴极,在过渡金属如镍、钴和锰(NMC),或者镍、钴和铝(NCA)等配合下,是目前最广泛的汽车电池正活性(即阴极)材料。

尽管锂卤水地理位置上集中在南美和中国,然而全球锂储量可能不是那么重要。在过去几年锂价持续上涨,主要原因在于电池市场需求的快速成长,目前电池市场消耗量占全球产量的40%左右。此处应该指出的是,通常市场引用的“锂价”是指碳酸锂。因此,精制纯锂金属的价格应该更高。鉴于电池市场的进一步成长,增加目前可忽略不计的锂回收配额应该多加努力,以使电动车更具可持续性。

目前全球镍储量在地理上虽较不集中,但足以维持未来阴极材料生产需求。目前,大部分镍金属消费都集中在钢铁生产,只有一小部分用在电池材料。尽管其经济重要性很高,但目前预计镍的供应风险仍然不存在。至于其他与电池相关的过渡金属(如铁、铝和锰)的储量也不重要,因为这些无毒元素的成本非常低廉。

自从推出以来,使用无机固体电解质的全固态电池(ASSB)就被预期可能造就可充电锂电池技术领域的首次颠覆性创新。与锂离子电池相比,锂金属阳极,如果可以安全且可逆地利用,是迈向更高能量密度境界的飞跃。同时可以设想到的是,多个双极全固态电池堆叠可以串联连接而不需要单独的电池外壳,如此可以增加体积及重量方面的活性:非活性比,从而增加全固态电池的总能量密度。同时,双极配置还意味着没有了单一电池管理控制,因此非常小心的电池容量平衡是必要的。全固态电池的其他愿景尚包括高功率能力的改进、热稳定性的增强、以及循环和日历寿命的延长。

丰田已经宣布在2022年以前将推出使用硫化物基固体电解质的全固态电池驱动电动车。然而,所有固体电解质都有其科学与技术挑战,包括对其他电池组件的有限化学稳定性、暴露大气或湿气产生性能不稳定、可加工困难性及高界面电阻。此外,对锂金属的循环稳定性也必须确保,并特别仔细定制固体/固体界面以获得合适的性能。

除全固态电池外,锂-硫电池被认为是一种应用在汽车上的高能量电池选项,主要原因是它在材料水平上具有极高的理论比能量和使用了低成本硫磺,但是这些理论值经常明显偏离实际值,因为它们没有考虑到诸如电解质或导电添加剂的非活性电池组件的大重量与体积分数以及活性材料的体积膨胀。

对于汽车应用,能量密度(瓦时/公升)被认为比比能量(瓦时/公斤)更重要。基本上,优化的锂-硫电池在比能量方面可以胜过先进的锂离子电池,但能量密度方面则没有办法,因此,锂-硫电池对电动车不具吸引力,但对于需要比能量高的应用(如航空、军事应用)则前景看好。

此外,由于材料级别的高理论能量密度,锂空气电池被认为是锂离子电池的潜在继承者。仔细观察电极或系统水平,包括所需的非活动和辅助组件质量和体积,预计能量密度会有显着降低。锂空气电池目前仍处于早期研发阶段。预计未来十年内无法克服许多技术挑战,这项技术是否会在遥远的未来应用在电动车之上有待观察。

近年来,电动车电池组的成本持续下降。例如锂离子电池组的价格已经降至300美元/千瓦时以下,推估将有进一步下降空间。为了与传统燃烧发动机驱动车辆进行成本竞争,该电池组成本需要低于120-150美元/千瓦时。透过大型工厂电池生产扩大与自动化,成本节约被部分实现。

大型电池厂需要大量资金投入,使得新玩家进入市场变得非常困难。此外,要达到成熟制造商的成本水平也很难实现。传统汽车制造商目前不太可能承诺​​自己来生产电池,倒是初创公司、合资企业或汽车零部件供应商比较有可能这样做。除了规模经济之外,改变电池类型可进一步节省成本,例如,将圆柱形电池的尺寸从18650扩大到21700格式,将可增加活性:非活性材料体积比。

电动车电池主成本降低的驱动因素与制造和生产的改进有关,例如提高产量和生产率,以及降低每千瓦时的材料成本。此外,生产更多的材料会使单位成本降低。然而,当定制如此低生产成本目标时会有各种风险产生,特别是在钴、镍、锂、铜等原材料成本方面。

2017年10月,铜价上涨至三年以来最高水平。然而,铜价在电池整体价格水平上并不重要,因为电池中只需要少量的铜作为集电器。但是,对电池硬体、电动车布线系统组件、快速充电基础设施而言,铜可视为战略材料,这意味着在有限的铜可用量下,回收铜及促进产品的生态设计是必要策略。

许多研究文献评估锂离子电池原材料的供应风险,指出在材料储备和供应可靠性方面风险最高的类别为钴和锂。然而,鲤短缺风险并不为该领域的所有专家所认同。

责任编辑:朱颖

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2019-04-11 2:35 AM
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