欢迎来到电池新世界
日期：2024-04-20
电动汽车的转型并不容易，它将需要占全球GDP的很大一部分来释放电池存储的潜力，无论是用于研究还是部署
作者：Versinetic高级固件工程师Julian Skidmore
随着锂价格居高不下，电动汽车矿物的开采和环境破坏索赔也越来越多，许多人怀疑重组是否会停滞，或者在道德和经济上是否值得。
这不是真的；相反，我们正在进入电池时代：欢迎来到电池新世界。
这篇文章探讨了为什么会出现这种情况，涵盖了电池的发展和相当大的解决方案空间。With
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第一批电池是在250多年前工业革命开始时开发出来的，这并非巧合。如今，所有电池仍然具有相同的基本结构：
- 电解质——包含储存在电子中的能量，这些电子本身无法从材料中逸出。
- 阳极——当电路形成时，它会与电解质发生反应，将能量从电子传递给电路的其他部分。
- 阴极——当电路与接受电子的电解质发生反应时接受电子。
- 隔膜——当电路没有形成时，防止化学反应完成，但允许电子转移，以弥补每次反应中电子的不平衡。
- 电池的容器——定义了电池的相对容量、热特性并影响其成本。此外，容器还隐藏了设计的各个方面，例如电池是否由多个电池制成；无论是湿的还是干的；或者电芯是堆叠的还是在凝胶卷中。
从20世纪80年代起，对更强大应用的驱动导致了电子产品的长寿命碱性电池；用于计算器的锂按钮电池，20世纪90年代和21世纪初用于各种应用的镍氢电池，如智能手机、笔记本电脑和电动汽车。
“电池”一词来源于本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）对军事单位为了提高效率而齐射的类比，以及他在18世纪对多个Leyden罐子齐射的实验。类似地，伏尔泰的“堆”由大约30个电芯组成。
换言之，一个电池中的多个电芯是常态。现代电动汽车电池建立在这一基础上，将单个电芯组装成并联（用于动力）和串联（用于续航里程）模块。这些电芯依次组合成一个单独的电池组。
因此，研究正在探索电池设计的各个方面，这就是为什么电动汽车电池在过去10年中将其能量密度从约150Wh/kg提高到约350Wh/kg。每个组成部分的主要研究目标可概括如下：
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图1：研究目标摘要
大多数变化都是渐进的，但即使是相对较小的变化也有助于电池技术的重大改进。例如，2020年9月的特斯拉电池日演讲聚焦于六个主要目标，这些目标将使能量密度和成本效益提高56%，其中大部分将通过直接的工程解决方案而非基础材料研究来实现。
改进之处：
- 一种新的、更优化的电池单元尺寸：46mm x 80mm（4680），一种无接线片阳极，可提供更短的电子传输和高功率传输。
- 一种廉价且能耗低得多的干电解质生产工艺，具有电池测试效率提高（“成型”）的特点。
- 硅基阳极（代替石墨）。
- 纯镍基阴极（无钴）。
- 简化了阴极生产。
- 从内华达州的粘土中提取清洁的锂（足够生产3亿辆汽车的锂矿床）。
欧盟正在推动82亿欧元的研究；其电动汽车开发计划中的30亿美元，其中包括至少10亿美元的电池研究。中国的研究使LFP电池成为电动汽车的一个现实命题。
这意味着，我们可以期待在未来一二十年电池性能的类似改进。
材料
尽管我们认为电动汽车用的是锂离子电池，但事实上，它们的化学成分与大多数便携式应用中的不同（记住，电动汽车也是便携式应用），主要是因为它们需要在稍低的能量密度和更多的充电循环之间进行权衡。针对原电池组件，总结了电池研究的主要领域：
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图2：按组成部分类型分列的主要研究领域摘要
主蓄电池组件
固态电解质取代了当前电池中的易燃液体凝胶电解质，这提高了可靠性，但也提高了势能密度和充电率。相间研究旨在减少由于在充电循环中阳极和电解质之间形成化学层而导致的电池效率低下和损坏。
盐的组成对电池的成本和性能有影响，例如它们的热范围。
聚合物凝胶电解质可以使电池的寿命延长三倍。
枝晶消除对于消除由于充电循环期间阴极丝在电解质上生长而引起的潜在短路至关重要。
石墨可以从锂离子电解质中快速转移能量，但这一过程成本高昂，耗能高，并会产生颗粒，合成替代品旨在解决这一问题。
硅碳阳极旨在提高电动汽车电池的续航里程和充电速度。
钛酸锂阳极应有助于增加充电循环次数。
锡/钴合金可以帮助减少锂在阳极上的沉积。
阳极表面积的改进提高了能量输送和充电速率。
钴还原之所以重要，是因为在制造传统NMC（镍锰钴）锂离子电池（以及化石燃料的精炼）时使用了童工和强迫劳动。尽管国际社会努力监管其他冲突矿产，但难以追踪钴的来源，这意味着在减少钴的使用方面做出了重大努力。
使用铝可以帮助降低备用电池的成本并提高充电率。
磷酸铁阴极已经被用于许多中国电动汽车和特斯拉Model 3汽车。它们具有较低的能量密度，但降低了电池的成本以及镍和钴的含量。
锂空气阴极具有任何类型的锂电池中最高能量密度的潜力。
钠离子电池取代锂，提供了更便宜的电动汽车电池，其能量密度与大约8年前的锂离子电池相当。
尖晶石提供了低成本、环保和热稳定的阴极材料的潜力。
孔隙率的改善对电子放电速率和电池安全性至关重要。
隔膜上的张力不均匀会影响电动汽车电池的性能。
二氧化硅膜提供了更大的电子放电潜力和更高的安全水平，以及其他好处。
电动汽车电池中的圆柱形电池有助于提供结构强度、通风和单位重量的高能量密度。
扁平袋式电池容器提供灵活性和每体积高能量密度。
电芯大小的改进有助于提高能量密度，降低成本，并减少生产中的资源量。
热管理主要由电池、模块和电池组级别的容器设计决定，影响充电速率、寿命和安全性。
正在进行的研究的几个领域揭示了在当前电动汽车电池技术基础上进行大量改进的潜力，以及在电动汽车电池（和电池存储）应用范围内的多种解决方案的潜力。
尽管缺乏基本矿物经常被媒体引用为限制我们向清洁技术过渡的能力，但目前和未来电池中正在探索的许多化学物质实际上来源于地球上相对于我们的电池需求丰富的元素：
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图3：当前生产的材料可用性
这些数值以每人公吨为单位。总体价值看起来非常大；然而，这些资源中只有一小部分是可以合理提取的，而整个社会真正需要的只是其中的一小部分。
例如，2016款特斯拉Model S的电池电量为73kWh，重量为453kg，其中含有约63kg的碳酸锂当量（Li2CO3），相当于12kg的锂。事实上，我们平均每天只需要约5 kWh（约20英里）的运输量，相当于每人不到1公斤锂，约为全球锂的80万分之一。
考虑到锂的相对丰度，我们应该对目前的高成本感到惊讶；然而，这更多地是当前锂储量和指数级需求的函数，而不是全球含量的函数。除了需求之外，锂的提取是下一个瓶颈，因为锂在全球范围内以非常低的浓度均匀分布，只有少数地区的浓度相对较高。此外，高集中地区可能会限制其他资源（如水），位于不稳定地区（如伊朗），或位于土著人口的保护区（如北美第一民族圣地）。
对锂的固定也分散了人们对可用于实际电池化学的大量其他材料的注意力。例如，在欧洲和中国的特斯拉Model 3汽车中使用磷酸铁锂（LFP）电池意味着可以避免钴和镍（锂含量仍然大致相同，约为160g/kWh）。
或者，以引入钠离子基比亚迪海鸥为例；这可能会为续航里程较短但成本低得多的电动汽车开辟一个巨大的市场（海鸥的能量密度约为120 Wh/kg，类似于早期的电动汽车），预计续航里程305公里[30 kWh]的成本约为12000美元）。
最终，多种丰富的材料可用于电池，因为关键是电子中能量的可重复使用存储，并且所有元素都含有电子（尽管并非所有元素都能容易地形成能量转移所需的离子）。
这使其与历史上的能源发电有着根本的不同，历史上的发电是燃烧一种材料来释放热能，热能可以转化为其他形式，如化石燃料或氢气。
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充分性
随着全球经济为净零未来做准备，将可充电电池的生产和使用视为更多的消费主义是错误的，尤其是因为可充电电池的设计是可充电的，而不是一次性的。电动汽车电池和新兴电池技术都是新的，它们的工程师和设计师早在20世纪90年代末和21世纪初电池生命周期开始之前就已经充分意识到回收的必要性。
此外，回收电池比提取更多的原材料更明智，也更便宜。从中期来看，我们可以预计，随着寻找新储量的努力增加，新电池材料的成本会降低，而与再利用和回收成本相比，这一过程变得更具挑战性，成本会再次上升。
目前电动汽车电池循环的方式很少，但这是因为电动汽车电池的使用时间比大多数人预期的要长得多；因此，很少有电动汽车电池已经报废。
此外，预计电动汽车电池可以作为动力墙、变电站或变电站/可再生能源基础负载进行更多的再充电循环，然后才能用于商业用途。
尽管如此，大众、雷诺（/日产）和特斯拉以及独立的回收设施已经开始回收电池。
与目前每年150亿吨的化石燃料开采不同，到2040年，用于清洁技术的矿物开采将需要不到采矿量的1/500。这在一定程度上是由于效率的提高（2/3大部分化石燃料能源被浪费为热量，大约40%的货物本身就是化石燃料）。
与此同时，电子设备正稳步提高效率。这些因素加在一起意味着，在未来几十年里，清洁技术资源将变得高度（如果不完全）可重复使用，从而足以满足我们的需求。
差异
可以肯定的是，随着我们在能源生产、运输和制造业转向全面脱碳，电池使用量将在未来几十年内显著增长。这意味着电池将有许多应用，但并不意味着所有这些应用都有相同的电池要求。
以大型巨型工厂为例。它们不需要是可移动的或紧凑的，所以它们不需要具有相同的能量密度。因此，溴化锌液流电池等化学品可能成为常态，其他可再生能源存储解决方案将发挥重要的支持作用，将锂电池的资源限制转移到真正的高能量密度应用中，如短途飞机。
此外，仅仅因为对新电池开发给予了如此多的关注，并不意味着现有的可充电电池技术，如镍氢电池，已经过时。它们也将继续在现有应用（如可充电AA电池）中发挥作用，或在专利到期后的新型运输应用中发挥作用。
随着充电器基础设施的成熟，对于大多数电动汽车来说，电动汽车电池可能不需要像今天这样大，而向交通即服务（或TAPS，交通即公共服务）的转变将增加交通方式的多样性。因此，允许大多数车辆与少数满足更高需求的车辆（皮卡、面包车和重型货车）变得更小（因为它们只需要载一两个人）。
此外，负载平衡和智能电网非常适合电池应用，使我们能够更好地利用可再生能源，降低能源成本，而不影响我们的能源需求。
结论
虽然锂离子电池在当今技术中似乎无处不在，但我们应该记住，在过去的两个世纪里，已经开发出了各种各样的电池设计。随着当前电池研究的狂热步伐，我们看到在过去10年中至少有3倍的进步，所有迹象都表明，这将持续到未来几十年。化石燃料提供了许多来源和许多提炼方法，以适应不同需求的多种应用，但电池技术的更大灵活性使其能够满足我们零碳未来的多种需求。
然而，这并不意味着过渡会很容易：需要占全球GDP的很大一部分来释放电池存储的潜力，无论是用于研究还是部署。我们面临的主要问题是，与任何材料限制相比，扩大电池资源以满足当前和未来需求的限制。
最终，这意味着电池将成为维系我们清洁技术未来的决定性因素。
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