電動車需要功率強(qiáng)勁、輕巧而又可負(fù)擔(dān)的電池。*有可能滿足這些條件的是商用鋰離子電池——這類電池相對結(jié)構(gòu)緊湊而穩(wěn)定。然而，目前車用鋰離子電池依然過于龐大和昂貴，這阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。
過去二十年來，可充電式鋰離子電池的性能一直在穩(wěn)步提升。一升體積的電池包中所儲存的能量從大約200瓦小時每升增加到了700瓦小時每升以上，提高了兩倍有余。電池的成本降低了30倍，現(xiàn)在的成本約為每千瓦時容量需150美元。
但是，這依然高于美國能源部制定的可承受價格目標(biāo)（每千瓦時100美元）。與此同時，電能容量足以驅(qū)動汽車（50到100千瓦時）的電池組依然重約600千克，還要占用500升的空間。
由于常規(guī)技術(shù)開始接近其根本原理的極限，鋰離子電池性能提升的速度正在放緩。電極材料的晶體結(jié)構(gòu)空隙中可容納的電荷量已經(jīng)接近理論值的上限，而預(yù)計(jì)的市場規(guī)模增長將不會顯著地降低電池價格——現(xiàn)在的市場規(guī)模已經(jīng)很大了。
更糟糕的是，在鋰離子電極中使用的是像鈷和鎳這樣的稀有金屬，它們儲量**而又昂貴。在過去的兩年里，動力電池生產(chǎn)規(guī)模的飛速增長已經(jīng)將鈷的價格從每千克22美元推高到了每千克81美元，是過去價格的近四倍。
強(qiáng)需求和高價格已經(jīng)開始誘使一些生產(chǎn)商抄近路，甚至不惜于違反環(huán)保和生產(chǎn)安 全條例。舉例而言，在中國，石墨礦開采時產(chǎn)生的粉塵使得農(nóng)作物受損，也污染了一些村莊和飲用水源。
在非洲，有些礦主非法使用童工，并且苛減防塵面具等勞保用品。手工開采礦石的小礦山常常無視法律。包括寶馬在內(nèi)的部分公司遵循嚴(yán)格的內(nèi)部守則，篩選他們的鈷供應(yīng)商，但很多公司并不這么做。
因此，急需開發(fā)基于鐵和銅之類便宜且常見金屬的替代電極。在我們看來，* 具潛力的候選替代材料涉及到所謂的“轉(zhuǎn)化材料”，比如氟化鐵、氟化銅和硅。這些材料通過與鋰離子形成化學(xué)鍵來儲存它們，但這種技術(shù)仍處于研發(fā)初期，還需要克服穩(wěn)定性、充電速度和規(guī)模化生產(chǎn)的問題。
我們呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先考慮基于高儲量元素的電極的研究與開發(fā)。否則，電動車在未來十年內(nèi)的應(yīng)用將會受阻。
鋰離子電池通過在兩個電極之間交換鋰離子而工作。鋰離子在電池內(nèi)從負(fù)極流動到正極同時放電，這一過程可以驅(qū)動汽車。當(dāng)電池充電時，鋰離子流回負(fù)極。
在時下的商業(yè)化電動車用動力電池中，鋰離子保存在構(gòu)成電極的晶體結(jié)構(gòu)的空隙中，這就是所謂的離子嵌入電極?，F(xiàn)有的負(fù)極材料一般用石墨制成，而正極材料則是金屬氧化物。
常用的正極氧化物包括鎳鈷鋁酸鋰（縮寫NCA，常用成分LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳酸鋰（縮寫NCM，常用成分LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 或 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。含有100千克重正極的電動車鋰離子電池要消耗6-12千克鈷和36-48千克鎳。
金屬的價格反映了需求、供給和冶煉礦石的成本。鈷的高價源于它的稀有和巨大市場需求。鈷的提煉成本非常高昂，涉及到礦石焙燒、閃速熔煉和有毒氣體的消耗。鈷常常是銅礦和鎳礦開采的副產(chǎn)品，可能也需要從其他金屬中分離出來。
極少有鈷礦脈能達(dá)到值得專門開采的鈷品位。大部分礦脈僅含有0.003%的鈷，而鈷礦品位要高于0.1%才能使冶煉出的鈷價格在每千克100美元至150美元之間。由于要處理更多的巖石，低品位礦石的冶煉成本會大幅上升（參見“金屬價格”）。
因此，在地殼總蘊(yùn)藏量為10^15噸的鈷中，只有約10^7噸是值得開采的。與此類似，在10^15噸的鎳儲量中，只有10^8噸有商業(yè)開采的價值。
僅在少數(shù)地區(qū)才能找到富鈷礦石。2015年，剛果民主共和國占全世界鈷開采量（14.8萬噸）的56%。這些鈷礦石大部分流向了中國，中國的鈷礦石儲備大約在20萬噸至40萬噸之間。澳大利亞保有全世界14%的鈷儲量，但還沒有全力開采它們。深海海床上也可以開采到鈷，但深海采礦的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本都過于高昂。
與鈷類似，鎳的生產(chǎn)也被十來個國家所掌控。2017年，印尼、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞總共占了全世界210萬噸鎳開采量中的72%。其中不到十分之一被用于電池，剩下的部分主要用于鋼鐵和電子產(chǎn)業(yè)。
鎳的冶煉成本較鈷為低，其冶煉方法主要是通過一系列氫氣和一氧化碳的反應(yīng)。雖然如此，自2015年以來，不斷上升的需求也推動鎳的市場價格提升了約50%，從每千克9美元漲到了每千克14美元。
鈷和鎳的價格都曾經(jīng)歷過暴漲和暴跌。比如在2008-2009年，澳大利亞的供應(yīng)量降低，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)需求增大，加之對沖基金經(jīng)理的投機(jī)預(yù)期，導(dǎo)致鎳價格暴漲5倍、鈷價格暴漲2倍。
如果沒有意料之外的改變的話，未來20年內(nèi)鎳和鈷將供不應(yīng)求。我們預(yù)期鈷短缺將會在2030年發(fā)生，鎳短缺將在2037年或之前發(fā)生。
汽車廠商和政府預(yù)計(jì)，到2025年，電動車的年產(chǎn)量將達(dá)到1000萬至2000萬輛。如果每輛車的電池需要10千克的鈷，屆時每年電動車產(chǎn)業(yè)的鈷需求將達(dá)到10萬至20萬噸——這將消耗當(dāng)今世界絕大部分的鈷年產(chǎn)量。
與此類似，電動車將每年消耗40萬至80萬噸的鎳，相當(dāng)于現(xiàn)在鎳年用量的20%—40%。如果貨車、公共汽車、飛機(jī)乃至船舶也使用電池驅(qū)動的話，這些金屬的需求將會更大。
到2050年，年產(chǎn)5000萬至8000萬輛電動車將要消耗50萬至80萬噸鈷。這么大的需求在2030年后就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有的采礦能力。同樣的，到2050年，鎳需求將達(dá)到現(xiàn)有需求的兩到三倍。鎳短缺的情況將在本世紀(jì)30年代中期變得十分顯著。
循環(huán)利用也無法增加供給總量。鋰離子電池的壽命約為15到20年，是鉛酸電池壽命（5至7年）的三倍。精煉企業(yè)也許可以開采低品位礦石，特別是在價格攀升的時候；但是加工成本上升會推高銷售價格。
一旦供應(yīng)觸頂，我們估計(jì)電動車電池的價格可能會飛漲至少1000美元。如果正極材料中鈷的使用量減少，需求高峰可能可以推遲幾年；但是目前還在開發(fā)中的鈷含量較少的正極材料性能衰減較快，制成的電池需要更頻繁的進(jìn)行更換。
為此，我們認(rèn)為可以采用更常見的金屬來制造鋰離子電池電極，比如說鐵和銅。一千克的鐵只需要6到9美分。地球的鐵蘊(yùn)藏量有760億噸，足以輕松滿足數(shù)十億電池的需求，這些電池有望替換現(xiàn)今的汽油車內(nèi)燃機(jī)。
中國的電動公交車已經(jīng)開始使用通過富鐵材料制造的常規(guī)電池正極，比如磷酸鋰鐵（縮寫LFP；化學(xué)式LiFePO4）。這種材料能夠在反復(fù)充放電后維持性能，但它攜帶電荷的效率要弱于基于鈷或基于鎳的正極（參見“能量優(yōu)勢”）。為了達(dá)到同樣的行駛里程，需要兩倍于含鈷/鎳的電池?cái)?shù)量的鐵基鋰電池，消耗的總成本也幾乎翻番。
目前使用另一種常見金屬——錳（例如錳酸鋰LMO，常用成分有LiMnO2 或LiMn2O4）的商用電極有同樣的低效率問題。今年早些時候，一種基于鈮錳氟氧化鋰的正極在實(shí)驗(yàn)室中被證實(shí)能夠達(dá)到和鈷或鎳基材料相近的儲能能力，但是充電需要更高的電壓，因此在車輛中使用并不**。
我們認(rèn)為，* 具潛力的鎳和鈷替代品是在電極中使用轉(zhuǎn)化材料。銅和鐵的氟化物以及硅可以和鋰離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。轉(zhuǎn)化材料電極中的過渡金屬可以儲存達(dá)常規(guī)電極中六倍之多的鋰原子。這類材料會膨脹以容納這些額外的鋰原子，因此配套的電池設(shè)計(jì)必須容許這樣的變化。
未來的負(fù)極材料很可能將基于硅。硅可以從沙中提煉，還能比同質(zhì)量的石墨儲存接近多十倍的鋰離子。轉(zhuǎn)化材料的正極與硅負(fù)極在下一代鋰離子電池中的結(jié)合可以允許新電池達(dá)到* 好的常規(guī)電池兩倍多的體積能量密度，或是三倍多的重量能量密度。只要現(xiàn)在一半數(shù)量的電池就足以驅(qū)動電動車，這也會同時使電池的成本、重量和體積減半。
硅負(fù)極技術(shù)正在不斷進(jìn)步。特斯拉公司已經(jīng)在電動車的鋰離子電池負(fù)極中使用了少量的硅來取代石墨，寶馬公司也宣布了在其未來動力電池中采用硅主導(dǎo)的負(fù)極的計(jì)劃。其它公司也同樣在開發(fā)以硅為主的負(fù)極材料，其中包括了加利福尼亞的Enevate、Enovix和Sila Nanotechnologies。（本文作者之一Gleb Yushin是Sila Nanotechnologies的董事、股東和**技術(shù)官）。
金屬氟化物的正極技術(shù)目前還沒有走出實(shí)驗(yàn)室。轉(zhuǎn)化材料類型的電池仍需要20小時來充電——需要削減到幾十分鐘。在充電時，這類電池還要額外消耗近三成的能量——應(yīng)當(dāng)不超過10%。它們的穩(wěn)定性也需要從5-500次充放電循環(huán)提高到1000-2000次循環(huán)。
轉(zhuǎn)化材料和電解質(zhì)材料之間負(fù)面的副反應(yīng)需要減少到*小，相關(guān)的電極與電解質(zhì)的微結(jié)構(gòu)和成分也必須得到優(yōu)化。我們還需要探索新的電池架構(gòu)以容納電極在充放電中的膨脹和收縮，同時保持導(dǎo)電接觸良好。
為了確保未來電動交通運(yùn)輸?shù)目韶?fù)擔(dān)性，還需要實(shí)現(xiàn)若干項(xiàng)技術(shù)突破。
首先，電池的性能需要提升。材料科學(xué)家需要制造出高性能的氟化物電極材料。電化學(xué)家需要開發(fā)更加有效的電解質(zhì)。工程師需要開發(fā)用于生產(chǎn)這些材料的合適工具。
政府機(jī)構(gòu)和領(lǐng) 先的汽車制造商應(yīng)當(dāng)資助這些需要數(shù)十億美元投資的研究。我們認(rèn)為，分配這些資金的* 好方法是給項(xiàng)目指定具體的目標(biāo)，就像美國能源部的先進(jìn)研究計(jì)劃署（ARPA-E）做的那樣。開發(fā)不含鈷和鎳的電池應(yīng)當(dāng)是首要目標(biāo)之一。
隨著富有前景的電池材料和電池技術(shù)的出現(xiàn)，科研資金應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)而專注于改進(jìn)它們的性能和可用性，生產(chǎn)工藝和成本必須被考慮在內(nèi)。我們預(yù)計(jì)合成轉(zhuǎn)化電極材料將需要不同的步驟，其中包括形成特定的納米尺度結(jié)構(gòu)。涉及到一系列溶液和氣體的處理方法或可以借鑒食品、制藥、過濾和復(fù)合材料制造等領(lǐng)域。
鋰離子電池廠商已經(jīng)在幾十座超級工廠中投資了幾十億美元來推動電動車市場發(fā)展。通過協(xié)調(diào)、權(quán)衡和計(jì)劃，這些投入有望為我們帶來下一代可負(fù)擔(dān)電池。