電池的未來

電池的未來問題并不像問“技術發(fā)展如何？2030年電池會是什么樣子？它將如何工作？你想得越多，它就越有趣。或者什么電池最受歡迎？”“不斷變化的技術趨勢?！蔽椅ㄒ豢梢越^對確定的是，電池的未來將與我們今天使用的電池不同。

 

電池未來發(fā)展趨勢

首先要考慮的問題是，未來的社會會是什么樣的，它將如何影響駕駛技術的演變、監(jiān)管標準、地區(qū)差異等？在21世紀初，我看到歐洲、日本、美國、中國和許多其他國家的政府對其燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放標準進行了重大調整，以支持更高效的汽車。這一趨勢實際上始于20世紀70年代。

 

 

隨著全球人口的持續(xù)增長，各國政府對新的清潔能源解決方案的需求仍然很高。另一個必須考慮的因素是人口增長將集中在哪里。從目前的所有預測來看，大部分增長將發(fā)生在大城市。即使速度比前幾十年略慢，世界人口仍在繼續(xù)增長，預計將繼續(xù)出現(xiàn)2000多萬人口的超大城市，鋰離子電池技術必須繼續(xù)發(fā)展才能滿足這一增長趨勢。

 

人口增長的幅度和集中度將推動許多技術的巨大變化，以解決自然資源和排放的枯竭、溫室氣體和污染的影響。例如，公用事業(yè)等公共職能，在歷史上一直由國家高度集中，將演變成一個更加分散的生產(chǎn)和儲存系統(tǒng)。

 

如今，電力是通過燃燒煤炭、核能和水力發(fā)電大規(guī)模生產(chǎn)的，并通過電網(wǎng)輸送給消費者。但在未來，電力將更有可能在當?shù)厣a(chǎn)和儲存。我們可能會發(fā)現(xiàn)屋頂上覆蓋著太陽能電池板，公共區(qū)域的風力渦輪機等等，所有這些都需要電池系統(tǒng)來將電力均勻地分配到超大城市的每個家庭。

 

運輸部門不會錯過技術轉型。一個有趣且不斷增長的趨勢是，渴望擁有汽車的年輕人越來越少，取而代之的是，許多人使用汽車共享服務，住在有公共交通的地區(qū)。他們沒有購買一輛日夜閑置的汽車，而是只在需要的時候付款。在日本的一些地區(qū)，我們也看到了“個人交通”的趨勢，這將導致消費者使用車輛的方式發(fā)生重大轉變。

 

 

世界其他地區(qū)希望效仿日本城市的趨勢，可能是因為日本的人口密度比世界上大多數(shù)其他地區(qū)都要高。隨著人口增長放緩，實際上已經(jīng)轉為負值，日本人口眾多的城市正在老齡化，并在尋找滿足老年人口需求的方法。當然，我們不能忽視中國和印度不斷增長的市場，在這兩個國家，擁有汽車是地位的象征，并將繼續(xù)經(jīng)歷大量增長。

 

但隨著汽車需求的快速增長，超大城市將面臨高污染和有限的停車位。交通運輸?shù)淖钚掳l(fā)展是自動駕駛汽車的出現(xiàn)。隨著這些車輛的大量引進，它們將繼續(xù)推動與之相關的輔助技術的進步。

 

電池未來的技術趨勢

不幸的是，電池技術并沒有按照摩爾定律發(fā)展。摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾于1965年提出的：“在不變的價格下，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量將翻一番，性能大約每18個月翻一番。換句話說，每一美元的計算機功率將每18個月中翻一番以上?！?/p>

 

這一規(guī)律揭示了信息技術進步的速度。事實證明，這在半導體行業(yè)是非常準確的，但不幸的是，它不適用于電池。如果我們回到1991年，當鋰離子電池被引入民用市場時，我們看到產(chǎn)能每年僅增長5%至6%。電池技術并非每年都翻一番。

 

回到本文開頭的原始問題——2030年電池的未來會是什么樣子？當前的電池技術將如何發(fā)展以滿足這些不斷增長的需求？真的有“革命性”或“突破性”的技術嗎？

 

不幸的是，我們過度使用“突破性技術”這個詞已經(jīng)太久了。就改進而言，這些都是自然的發(fā)展，而不是最小的突破。讓我們思考一下突破性技術這個術語，以及它對電池未來的真正意義。什么時候一項技術可以被視為突破？突破性技術的出現(xiàn)往往會導致現(xiàn)有技術的徹底改變或終止。

 

汽車徹底摧毀了馬車市場，最終徹底取代了馬車。僅僅用了幾年左右的時間，個人電腦就幾乎完全取代了打字機。電話取代了電報，便攜式電話在短短幾年內(nèi)幾乎取代了固定電話。因此，當技術取代并超越之前的技術時，就定義了技術突破。

 

 

那么，從這個角度來看，鋰離子電池是一項突破性技術嗎？事實并非如此，它既不能取代鉛酸電池，也不能取代內(nèi)燃機（至少在撰寫本文時沒有）。但這是一種互補的技術嗎？當然是這樣，因為它比目前的混合動力方案有了顯著的改進。

 

鋰離子電池有兩個特性，可以使其成為真正的突破性技術；能量密度和功率密度。目前的鋰離子電池技術只能提供汽油或煤油的十分之一左右的功率，這意味著以目前的鋰電池化學性質，僅靠電池功率無法達到石油動力汽車的續(xù)航里程——這種情況會改變嗎？

 

功率密度的問題與能量密度的問題相似。為了取代汽油發(fā)動機，電池技術的未來必須更小，同時將電池的功率和功率提高到與液體燃料汽車相同的水平。

 

與此同時，我們必須考慮另一個問題——成本。即使有人設計出一種可以提供與汽油動力汽車相同能量的電池技術，如果電池成本沒有隨著能源的增加而下降，這也不是一種可行的電池未來解決方案，也不會獲得大眾市場的青睞。在工業(yè)中，由于一定程度的標準化和產(chǎn)量的增加，我們可能會看到成本優(yōu)化。我們發(fā)現(xiàn)，一定程度的標準化肯定會為成本結構帶來好處。但該標準也必須足夠靈活，以允許技術隨之改進和發(fā)展。

 

從汽車制造的角度來看，一旦一項技術被引入汽車，它將持續(xù)5到10年，這大約是標準化汽車系統(tǒng)的壽命。這是什么意思？這意味著如今市場上的電動汽車使用的電池是用三到五年前的技術制造的。

隨著我們看到個人電子產(chǎn)品變得更小、更薄甚至可穿戴，便攜式電源行業(yè)也將有助于推動技術創(chuàng)新，因此便攜式電源是一些先進電池技術的早期采用者，這些技術將與便攜式電源一起發(fā)展。

 

電池技術的未來發(fā)展趨勢

電池技術的哪些變化將使鋰離子電池成為真正的突破？毫無疑問，電池系統(tǒng)將繼續(xù)進步，但這會是一個真正的突破嗎？這很難回答。鋰已經(jīng)是元素周期表中最輕的金屬，因此除了鋰基技術之外，沒有太多的進一步研究選擇。因此，電池的未來可能不是來自于取代鋰，而是來自于其他材料。

 

傳統(tǒng)的鋰離子電池基本上有三個部分可以改進：陰極、陽極和電解質。通過研究這三個部分，研究人員旨在提高鋰離子電池的可用開路電壓和能量密度，提高電池的安全性和壽命。

 

 

讓我們從陽極開始。硅和錫陽極材料由于其高比容量和有望提高電池的能量密度，在過去幾年中受到了很多關注。盡管理論上可以通過使用硅或錫負極來實現(xiàn)高達300%或更高的能量密度增加，但實際的增加通常只有其三分之一左右，但這仍然將鋰離子電池的比能推到與液體燃料競爭的水平。

 

然而，由于充放電循環(huán)中電極片的體積膨脹率大，這兩種材料都存在循環(huán)壽命短的問題。但這并不意味著我們應該放棄他們。目前正在努力解決這個問題，例如使用納米材料技術，石墨、石墨烯或其他材料復合或涂有硅或錫元素，可以顯著緩沖材料的體積膨脹。

 

我們注意到，個人電子產(chǎn)品正在變得更小、更薄、可穿戴，正是這種先進的技術開始應用于便攜式電源行業(yè)。

 

與運輸和儲能相比，這些應用需要更少的電池系統(tǒng)壽命，為這些電池解決方案的開發(fā)和測試提供了良好的機會。我相信，隨著這些新的陽極技術的不斷發(fā)展，它最終將部分取代目前的石墨基陽極材料。

 

陰極材料也出現(xiàn)了一些漸進式的改進。例如，為了利用不同材料的各自優(yōu)點，將不同的化學品組合或混合。但根據(jù)目前的研究水平，電池未來取得重大進展的可能性很小。

 

在未來的電池中，電解質和隔膜也將發(fā)生逐漸的變化。電解質對于提高鋰離子電池的開路電壓至關重要。目前，人們對電解質添加劑進行了許多嘗試，并報道了大量關于新型電解質的研究，這些電解質可能比目前的添加劑技術更安全。隔膜也受到了關注，但幾乎所有這些都集中在提高電池安全性上。

 

許多鋰離子電池公司開始使用陶瓷涂層隔膜，因為與傳統(tǒng)的聚丙烯酸酯-聚乙烯隔膜相比，陶瓷涂層隔膜對電解質的滲透性更強，并且在更高的溫度下穩(wěn)定有效地工作。

 

我們能否看到其他類型的技術改進，為電池和鋰離子電池的未來帶來真正的變革性發(fā)展？固態(tài)電池可能是最引人注目的新技術之一。固態(tài)電池不使用液體電解質，其優(yōu)點之一是能量比高。

 

與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，固態(tài)電池可以減少流體收集量，并且不含隔膜。此外，固態(tài)電池預計更安全，因為它們不含有易燃和泄漏的液體電解質。然而，由于固態(tài)電池的研發(fā)尚處于起步階段，到目前為止，固態(tài)鋰離子電池的應用大多為毫安時量級。如果這些電池能夠成功地擴大規(guī)模，它們可能會在更大規(guī)模的應用中具有競爭力。

 

鋰空氣電池也是一種處于研究階段的新型電池系統(tǒng)。鋰空氣電池使用鋰金屬陽極，連接到固體電解質層，該固體電解質層與空氣中的氧氣“機電耦合”。它可以提供非常高的能量密度、非常平坦的放電曲線，只要不暴露于空氣中的水和二氧化碳，幾乎可以無限使用，并且有望具有一系列好處，包括低成本和環(huán)境友好。然而，鋰空氣電池也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是其有限的功率輸出能力。

 

 

在過去二十年左右的時間里，燃料電池取得了重大進展，受到了很多關注。微型燃料電池、汽車燃料電池和超大燃料電池已經(jīng)上市。燃料電池本質上是發(fā)電機，在許多應用中與鋰離子電池重疊。如果基礎設施和燃料供應成本得到解決，燃料電池可能會取代部分鋰離子電池市場。

 

另一種不斷發(fā)展的儲能技術是電容器，包括雙層電容器和超級電容器。這些技術在歷史上被認為只適用于極短、高功率、爆炸性的能源需求。目前的研究旨在提高電容器的能量密度，從而使其與傳統(tǒng)電池更具競爭力。此外，由于電容器制造與鋰離子電池制造非常相似，預計電池制造商將在其電池產(chǎn)品中添加電容器技術。

 

結論

鋰離子電池技術對當前電池性能有很大的改進和進一步改進潛力。隨著需求的增加，電池成本將繼續(xù)下降，前面提到的電池性能的技術改進將有助于降低成本。如果電池技術進展順利，下一代電池技術將很快問世。然而，作者認為，很難實現(xiàn)美國能源部和先進電池聯(lián)盟等組織設定的每千瓦時100至150美元的成本目標。

 

目前，18650鋰離子電池正以每年近7億個電池的速度大規(guī)模生產(chǎn)，其價格已在170美元至220美元/千瓦時的范圍內(nèi)觸底。那么，如何改進這項技術，使新的大型電池價格合理，足以滿足美國能源部的要求呢？由于電池的體積與電池的實際活性材料的體積不同，因此改變電池技術以降低成本是很重要的。

 

超大城市的發(fā)展將推動清潔能源生產(chǎn)和儲存技術的發(fā)展。基于電池的儲能系統(tǒng)很可能成為為這些城市提供不間斷電力的重要組成部分。交通系統(tǒng)將被迫采用電氣化，以減少對城市空氣的影響。