電動汽車需要一個電源。動力電池的比能量、壽命、安全性和價格對純電動汽車的發(fā)展至關重要。鋰離子電池具有比能高、自放電低、壽命長的優(yōu)點，是目前最實用的電動汽車電池。

經過20多年的科技進步，鋰離子電池的性能得到了極大的提高。鋰電池組的比能量密度幾乎增加了兩倍，從低于200Wh/L增加到超過700Wh/L。生產成本約為原來的3%，目前的生產成本可以控制在150美元/千瓦時以下。

但這仍然高于能源部計劃的100美元/千瓦時的目標。目前功率為50-100KW.h的動力電池重量約為600公斤，體積約為500L。

由于目前鋰電池的能量密度接近理論最大值，鋰離子電池的能量密度提高速度逐漸放緩。電池市場的快速增長使得鋰離子電池的降價更加遙不可及。

 

 

相反，在過去兩年里，鋰電池產量的激增使鈷的價格幾乎翻了兩番，從每公斤22美元漲到了81美元。

市場需求的增加和價格的快速上漲鼓勵了一些生產商偷工減料，違反了環(huán)境和安全法規(guī)。例如，在中國，石墨礦釋放的灰塵破壞了農作物，污染了村莊和飲用水。

在非洲，一些礦主剝削童工，在缺乏防毒面具和手工開采礦石等防護設備的小礦山經常違法。包括寶馬在內的一些公司對其鈷供應商有嚴格的監(jiān)管政策，而其他一些電動汽車制造商則沒有。

 

解決這一切的最簡單方法是為鐵和銅等常用金屬開發(fā)廉價的替代電極。亞特蘭大佐治亞理工學院的Gleb Yushin教授和他的同事表示，最有前途的“轉換型陰極材料”是氟化銅或氟化鐵或硅。

它們以化學方式儲存鋰，但這項技術仍處于早期階段。為了實際應用，必須克服穩(wěn)定性、充電速度和制造問題。

Gleb Yushin教授呼吁材料科學家、工程師和資助機構優(yōu)先研究和開發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動汽車的推出將在十年內受到巨大打擊。

 

 

鎳和鈷稀缺且昂貴

在目前的電動汽車商用電池中，鋰離子被困在構成電極的晶體中的微小空隙中（這些被稱為嵌入電極）。負極通常由石墨制成，正極由金屬氧化物組成。

常見的三元陰極材料包括鎳鈷氧化鋁（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳氧化物（NCM，例如LiNi 0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi 0.8Co0.1Mn0.1O2）。

一個100kg的鋰離子動力電池正極材料通常需要6~12kg的鈷和36~48kg的鎳。雖然鈷通常是銅和鎳開采的副產品，但將其與其他金屬分離也需要復雜的工藝。大多數礦床只含有0.003%的鈷金屬，很少有鈷礦床的濃度足以開采。

 

因此，盡管地球上儲存的1015噸鈷中，只有107噸可以使用。同樣，在世界1015噸鎳儲量中，只有108噸具有商業(yè)開采價值。

富含鈷的礦物現(xiàn)在只在少數地方發(fā)現(xiàn)。2015年，非洲剛果（金）提供了世界14.8萬噸鈷的一半（56%）。其中大部分流向了中國，中國有20萬至40萬噸鈷庫存。

澳大利亞擁有世界14%的鈷儲量，這些儲量已經可以從深海海底開采，但這種開采成本、生態(tài)和經濟成本太高，無法充分開采和利用。

同樣，鎳生產也由十幾個國家主導。2017年，印尼、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞共供應了全球210萬噸礦石的72%。

 

但其中只有不到十分之一用于鋰電池；剩下的大部分用于鋼鐵和電子產品。盡管鎳的開采成本低于鈷，但自2015年以來，不斷增長的需求使鎳價格上漲了約50%，從每公斤9美元上漲至14美元。

鈷和鎳都經歷了價格的突然上漲和暴跌。例如，澳大利亞的供應中斷、中國對鋼鐵的需求增加以及對沖基金經理的投機導致鎳價格上漲了五倍，而鈷價格在2008-2009年上漲了三倍。

 

預計鈷和鎳短缺

如果這種情況持續(xù)下去，鈷和鎳將在20年內出現(xiàn)供應缺口。隨著鋰離子電池需求的持續(xù)增長，預計到2030年鈷將供不應求，到2037年鎳可能缺貨。雖然我們可以開采質量較低的礦石，但較高的加工成本將推高鈷和鎳的價格。

電動汽車制造商和政府預計，到2025年，每年將生產1000萬至2000萬輛電動汽車。如果每輛汽車的電池需要10公斤鈷，到2025年，僅電動汽車每年就需要100-20萬噸鈷，這是目前世界產量的大部分。同樣，每年需要400-80萬噸鎳，相當于目前所有金屬的20-40%。

當卡車、公共汽車、飛機和船舶使用動力電池時，需要更多的電池。到2050年，每年生產5000萬至8000萬輛電動汽車需要500萬至80萬噸鈷。2030年后，這將遠遠超過目前的采礦能力。

同樣，到2050年，鎳的需求將增長2-3倍。到2030年年中，鎳的短缺將顯而易見，回收利用將無法補充供應。因為鋰離子電池的壽命為15-20年，是鉛酸電池5-7年的3倍。一旦供應達到峰值，我們估計電動汽車電池的價格可能會上漲1000美元以上。

 

 

未來電池材料的出路是什么

答案是使用傳統(tǒng)金屬（鐵、銅）生產鋰離子電池正極材料。例如，鐵不僅便宜（低至6美分/公斤），而且儲量豐富（760億噸）。由于傳統(tǒng)的富鐵材料（LiFePO4）和富錳材料（LiMnO2或LiMn2O4）在使用中存在各種缺點，因此最有前途的替代方案是在電極中使用“替代陰極材料”。

氟化銅/氟化鐵和硅與鋰離子發(fā)生化學反應，實現(xiàn)鋰存儲，其能量是標準陰極的六倍。

轉化陰極材料的機理：其電化學轉化反應是一種不同于傳統(tǒng)鋰離子嵌入/萃取反應的新型儲鋰機理。

反應過程中存在多次電子轉移，因此基于電化學轉化反應機理的電極材料具有非常高的理論比容量。這種電極材料主要由過渡金屬氧化物、硫化物或氟化物組成。

 

其中，過渡金屬氟化物由于其強大的離子鍵而具有更高的工作潛力，更適合作為鋰離子電池的正極材料。其中，硅基材料非常適合匹配。

一旦這兩種材料成功使用，為電動汽車提供動力的電池可以減半，而成本、重量和體積可以減半或更多。

但要實現(xiàn)這一目標，電池研究人員需要開發(fā)高性能的氟化物材料和更高效的電解質。工程師們需要努力開發(fā)使用這些材料的設備和工藝。

此外，由轉換材料制備的電池還存在一些缺點，如導電性低、倍率性能差以及轉換材料與電解質之間的嚴重副反應。

正極和負極SEI膜較厚，具有電壓滯后，充電后電極嚴重膨脹和收縮。

 

替代材料介紹

與插層型材料電極相比，在充電和放電過程中，在轉換型材料和Li結合之前和之后會發(fā)生鍵斷裂和鍵形成。在Li進一步進入FeF2后，在Fe-F鍵斷裂后，Li和F重新鍵合形成LiF（A型）。

 

 

每個元素中包含的信息如圖中的示例所示：

第1行表示元素類型。

第2行表示地殼中元素的豐度。

第3行表示金屬或元素在過去五年中的平均價格。

第4行和第5行分別表示元素對環(huán)境和人類的影響。

 

 

結論

2030年左右，動力鋰電池的鈷和鎳資源將供不應求，三元材料的發(fā)展勢必不可持續(xù)。

在未來，新的陰極材料必須是一種優(yōu)于當前插層陰極材料的高電勢材料。

硅基材料對新型陰極材料的適應性不僅要提高其能量密度，還要大大降低鋰離子電池的成本。