《電子技術(shù)應(yīng)用》
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特斯拉已使用磷酸鐵鋰電池,,福特,、大眾的部分車型也將使用

2023-01-08
來源:騰訊新聞客戶端
關(guān)鍵詞: 特斯拉 磷酸鐵鋰電池 福特

全世界的電池越來越多,。2022 年,電動(dòng)汽車全球銷量占比超過 10%,,到 2030 年有望達(dá)到 30%,。

世界各地的政策只會(huì)加速這種增長:美國最近的氣候立法正在向電池制造投入數(shù)十億美元,并鼓勵(lì)購買電動(dòng)汽車,。歐盟和美國的幾個(gè)州通過了從 2035 年禁止燃油車的禁令,。

這種轉(zhuǎn)變將需要大量的電池,以及更好,、更便宜的電池,。如今,大多數(shù)電動(dòng)汽車都由鋰離子電池供電,,這項(xiàng)技術(shù)已有幾十年的歷史,,被廣泛用于筆記本電腦和手機(jī)。

這么多年的發(fā)展也幫助壓低了價(jià)格,,提高了性能,,所以今天的電動(dòng)汽車正接近燃油車的價(jià)格,,每次充電可以行駛數(shù)百公里。

人們通過鋰離子電池也發(fā)現(xiàn)了新的應(yīng)用,,包括電網(wǎng)上的電力存儲(chǔ),、可以幫助平衡風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源等。

圖 | 寶馬計(jì)劃在南卡羅來納州的新工廠投資 17 億美元,,生產(chǎn)電動(dòng)汽車及其電池(來源:AP PHOTO/SEAN RAYFORD)

但目前仍有很大的改進(jìn)空間,。科研實(shí)驗(yàn)室和公司都在尋找改進(jìn)技術(shù)的方法,,提高容量,、加快充電時(shí)間和削減成本。

研究的目標(biāo)是用上更便宜的電池,,為電網(wǎng)提供廉價(jià)的存儲(chǔ)方案,,并允許電動(dòng)汽車在充電后行駛更遠(yuǎn)的距離。

與此同時(shí),,對(duì)鈷和鋰等關(guān)鍵電池材料供應(yīng)的擔(dān)憂,,正在推動(dòng)尋找鋰離子化學(xué)材料的替代品。

在對(duì)電動(dòng)汽車和可再生能源的需求飆升,、以及電池發(fā)展的激增之中,,有一件事是肯定的:電池將在向可再生能源的過渡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

徹底的重新思考

一些截然不同的電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)方法可能會(huì)在 2023 年取得進(jìn)展,,盡管它們可能需要更長的時(shí)間才能產(chǎn)生商業(yè)影響,。

2023 年需要關(guān)注的一個(gè)進(jìn)展是所謂的固態(tài)電池。鋰離子電池和相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)使用液體電解質(zhì)來循環(huán)充電,,固態(tài)電池用陶瓷或其他固體材料取代了液體,。

這種轉(zhuǎn)變開啟了向更小的空間注入更多能量的可能性,有可能改善電動(dòng)汽車的續(xù)航里程,。固態(tài)電池也可以更快地移動(dòng)電荷,,這意味著更短的充電時(shí)間。

固態(tài)電池的支持者還認(rèn)為,,這種技術(shù)可以通過降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)來提高安全性,,因?yàn)殡娊赓|(zhì)中使用的一些溶劑可能是易燃的。

固態(tài)電池可以使用多種化學(xué)物質(zhì),,但商業(yè)化的主要候選者是使用金屬鋰,。例如,Quantumscape 公司專注于這項(xiàng)技術(shù),,并在 2020 年上市前籌集了數(shù)億美元的資金,。該公司與大眾汽車達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議,預(yù)計(jì)到 2025 年將其電池安裝到大眾旗下的汽車上。

但事實(shí)證明,,完全重塑電池是很困難的,。除了制造方面的難題,人們還擔(dān)心隨著時(shí)間的推移,,鋰金屬電池會(huì)退化,。

Quantumscape 公司于 2022 年 12 月底宣布,已將樣品交付汽車合作伙伴進(jìn)行測(cè)試,,這有望成為固態(tài)電池正式上路的一個(gè)重要里程碑,。

其他固態(tài)電池玩家,比如 Solid Power 也在努力制造和測(cè)試他們的電池,。不過,盡管這些公司也可能在 2023 年實(shí)現(xiàn)重大進(jìn)展,,但它們的電池大概不會(huì)在今年上路使用,。

固態(tài)電池并不是唯一需要注意的新技術(shù),鈉離子電池技術(shù)也與今天常見的鋰離子截然不同,。

這些電池的設(shè)計(jì)類似于鋰離子電池,,包括使用了液體電解質(zhì)等,但它們不依賴于鋰,,而是使用鈉作為主要的化學(xué)成分,。

據(jù)報(bào)道,中國電池巨頭寧德時(shí)代計(jì)劃在 2023 年開始大規(guī)模生產(chǎn)這些電池,。鈉離子電池可能不能提高性能,,但它們可以降低成本,因?yàn)樗鼈円蕾囉诒蠕囯x子化學(xué)材料更便宜,、更廣泛的材料,。

但目前尚不清楚這些電池,能否滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和充電時(shí)間的需求,,這就是為什么一些追求這項(xiàng)技術(shù)的公司比如美國的 Natron,,瞄準(zhǔn)了要求較低的應(yīng)用,如固定存儲(chǔ)或電動(dòng)自行車和摩托車等中小型移動(dòng)設(shè)備,。

能源研究機(jī)構(gòu) BloombergNEF 的能源存儲(chǔ)主管彌生世金(Yayoi Sekine)指出,,如今針對(duì)固定電網(wǎng)存儲(chǔ)的電池市場(chǎng)規(guī)模很小,大約是電動(dòng)汽車電池市場(chǎng)規(guī)模的十分之一,。

但是,,隨著安裝更多的可再生能源,對(duì)電力儲(chǔ)存的需求正在增長,,因?yàn)轱L(fēng)能和太陽能等主要的可再生能源是不可控的,,而電池可以在需要的時(shí)候幫助儲(chǔ)存能源。

鋰離子電池并不是理想的固定存儲(chǔ),盡管它們被廣泛使用,。雖然電動(dòng)汽車的電池更小,、更輕、更快,,但固定存儲(chǔ)的主要目標(biāo)是降低成本,。大小和重量對(duì)電網(wǎng)存儲(chǔ)并不重要,這意味著不同的化學(xué)物質(zhì)很可能受到青睞,。

在固定儲(chǔ)存領(lǐng)域,,鐵也受到了格外關(guān)注。兩家公司可能會(huì)在未來一年間宣布進(jìn)展:Form Energy 公司正在開發(fā)一種鐵-空氣電池,,它使用水基電解質(zhì),,本質(zhì)上是通過可逆生銹來儲(chǔ)存能量。

該公司最近宣布,,將在美國西弗吉尼亞州的威爾頓成立一個(gè)價(jià)值 7.6 億美元的制造工廠,,計(jì)劃于 2023 年開始建設(shè)。

另一家名為 ESS 的公司正在制造一種不同類型的鐵電池,,采用類似的化學(xué)成分,。它已經(jīng)開始在美國俄勒岡州威爾遜維爾的總部進(jìn)行生產(chǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)的改變

鋰離子電池越來越好,,也越來越便宜,,但研究人員正在進(jìn)一步調(diào)整技術(shù),以實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的成本,。

其中一些動(dòng)機(jī)來自于電池材料的價(jià)格波動(dòng),,這可能會(huì)促使企業(yè)改變化學(xué)成分?!斑@是一個(gè)成本游戲,,”Sekine 說。

陰極通常是電池中最昂貴的部件之一,,而一種被稱為鎳錳鈷(nickel manganese cobalt)的陰極是當(dāng)今電動(dòng)汽車電池使用的主要材料,。

但除了鋰之外,這三種元素都很昂貴,,所以削減部分或全部元素可能有助于降低成本,。

2023 年我們可能看到替代方案的突破:磷酸鐵鋰(lithium iron phosphate),這是一種低成本的陰極材料,,有時(shí)被用于鋰離子電池,。

最近在磷酸鐵鋰化學(xué)和制造方面的新成果,幫助提高了這些電池的性能,,企業(yè)也開始采用這項(xiàng)技術(shù),。磷酸鐵鋰的市場(chǎng)份額正在迅速增長,,從 2018 年全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)的約 10% 上升到 2022 年的約 40%。

特斯拉已經(jīng)在一些汽車上使用了磷酸鐵鋰電池,,福特和大眾等汽車制造商宣布,,他們也計(jì)劃開始為一些車型提供這種電池。

雖然電池的研究傾向于集中在陰極化學(xué)上,,但陽極也不容忽視,。如今,無論陰極的組成如何,,鋰離子電池中的大多數(shù)陽極都使用石墨來容納鋰離子,。但硅等替代品可能有助于提高能量密度,加快充電速度,。

硅陽極多年來一直是研究的對(duì)象,,但從歷史上看,它們的壽命還不足以支撐大型產(chǎn)品,。不過,,現(xiàn)在各公司正開始擴(kuò)大這種材料的生產(chǎn)。

2021 年,,初創(chuàng)公司 Sila 開始為可穿戴健身設(shè)備的電池生產(chǎn)硅陽極。該公司最近獲得了美國能源部提供的 1 億美元撥款,,用于幫助在華盛頓的摩西湖市建立一個(gè)制造工廠,。該工廠將為 Sila 與奔馳的合作生產(chǎn)產(chǎn)品,預(yù)計(jì)將從 2025 年開始生產(chǎn)電動(dòng)汽車電池的材料,。

其他初創(chuàng)公司正在努力將硅和石墨混合在一起,,形成陽極。比如 Sionic Energy公司,,以及與通用汽車合作的 OneD Battery Sciences 公司,,都有望在 2023 年進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

政策決定產(chǎn)品

2022 年底,,美國通過了《降低通貨膨脹法案》,,為氣候和清潔能源撥出了近 3700 億美元的資金,其中包括數(shù)億美元用于電動(dòng)汽車和電池制造,?!懊總€(gè)人都在關(guān)注這項(xiàng)法案,”麻省理工學(xué)院的材料研究人員,、多家電池公司的創(chuàng)始人蔣業(yè)明(Yet Ming Chiang)表示,。

《降低通貨膨脹法案》將向美國的電池制造商提供貸款和資助,以提高產(chǎn)能,。此外,,該法律中的電動(dòng)汽車稅收抵免,鼓勵(lì)汽車制造商從美國或其自由貿(mào)易伙伴那里采購電池材料,并在北美生產(chǎn)電池,。

由于《降低通貨膨脹法案》的補(bǔ)助和電動(dòng)汽車稅收抵免限制,,汽車制造商將繼續(xù)宣布在美國補(bǔ)充新的產(chǎn)能,并尋找材料方面的新方法,。

所有這些都意味著,,人們對(duì)鋰離子電池的關(guān)鍵成分的需求將會(huì)越來越多,包括鋰,、鈷和鎳,。

由該法案可能帶來的一個(gè)結(jié)果是,人們對(duì)電池回收的興趣正在增加,。雖然短期內(nèi)沒有足夠的淘汰電動(dòng)汽車,,來滿足對(duì)于一些關(guān)鍵材料的需求,但回收利用正開始升溫,。

在這方面,,寧德時(shí)代和其他中國公司在電池回收方面處于領(lǐng)先地位。不過在 2023 年,,北美和歐洲等其他主要電動(dòng)汽車市場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)顯著增長,。

總部位于美國內(nèi)華達(dá)州的 Redwood Materials 和總部位于加拿大多倫多的 Li-Cycle 公司正在建設(shè)設(shè)施,并致力于分離和凈化鋰和鎳等關(guān)鍵的電池金屬,,以便在電池中重復(fù)使用,。

Li-Cycle 公司將于 2023 年開始調(diào)試其主要回收設(shè)施。Redwood Materials 公司則已經(jīng)開始在內(nèi)華達(dá)州的工廠生產(chǎn)一種銅箔作為其首款產(chǎn)品,。最近它還宣布,,計(jì)劃從 2023 年開始在南卡羅來納州建造第二家工廠。

總體來說,,通過全球各地政策所注入的大量資金,,推動(dòng)了對(duì)電動(dòng)汽車及其電池的需求,因此對(duì)于電池產(chǎn)業(yè)來說,,2023 年將是值得關(guān)注的一年,。



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