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特斯拉已使用磷酸铁锂电池,福特、大众的部分车型也将使用

2023-01-08
来源:腾讯新闻客户端

全世界的电池越来越多。2022 年,电动汽车全球销量占比超过 10%,到 2030 年有望达到 30%。

世界各地的政策只会加速这种增长:美国最近的气候立法正在向电池制造投入数十亿美元,并鼓励购买电动汽车。欧盟和美国的几个州通过了从 2035 年禁止燃油车的禁令。

这种转变将需要大量的电池,以及更好、更便宜的电池。如今,大多数电动汽车都由锂离子电池供电,这项技术已有几十年的历史,被广泛用于笔记本电脑和手机。

这么多年的发展也帮助压低了价格,提高了性能,所以今天的电动汽车正接近燃油车的价格,每次充电可以行驶数百公里。

人们通过锂离子电池也发现了新的应用,包括电网上的电力存储、可以帮助平衡风能和太阳能等间歇性可再生能源等。

图 | 宝马计划在南卡罗来纳州的新工厂投资 17 亿美元,生产电动汽车及其电池(来源:AP PHOTO/SEAN RAYFORD)

但目前仍有很大的改进空间。科研实验室和公司都在寻找改进技术的方法,提高容量、加快充电时间和削减成本。

研究的目标是用上更便宜的电池,为电网提供廉价的存储方案,并允许电动汽车在充电后行驶更远的距离。

与此同时,对钴和锂等关键电池材料供应的担忧,正在推动寻找锂离子化学材料的替代品。

在对电动汽车和可再生能源的需求飙升、以及电池发展的激增之中,有一件事是肯定的:电池将在向可再生能源的过渡中发挥关键作用。

彻底的重新思考

一些截然不同的电动汽车电池生产方法可能会在 2023 年取得进展,尽管它们可能需要更长的时间才能产生商业影响。

2023 年需要关注的一个进展是所谓的固态电池。锂离子电池和相关的化学物质使用液体电解质来循环充电,固态电池用陶瓷或其他固体材料取代了液体。

这种转变开启了向更小的空间注入更多能量的可能性,有可能改善电动汽车的续航里程。固态电池也可以更快地移动电荷,这意味着更短的充电时间。

固态电池的支持者还认为,这种技术可以通过降低火灾风险来提高安全性,因为电解质中使用的一些溶剂可能是易燃的。

固态电池可以使用多种化学物质,但商业化的主要候选者是使用金属锂。例如,Quantumscape 公司专注于这项技术,并在 2020 年上市前筹集了数亿美元的资金。该公司与大众汽车达成了一项协议,预计到 2025 年将其电池安装到大众旗下的汽车上。

但事实证明,完全重塑电池是很困难的。除了制造方面的难题,人们还担心随着时间的推移,锂金属电池会退化。

Quantumscape 公司于 2022 年 12 月底宣布,已将样品交付汽车合作伙伴进行测试,这有望成为固态电池正式上路的一个重要里程碑。

其他固态电池玩家,比如 Solid Power 也在努力制造和测试他们的电池。不过,尽管这些公司也可能在 2023 年实现重大进展,但它们的电池大概不会在今年上路使用。

固态电池并不是唯一需要注意的新技术,钠离子电池技术也与今天常见的锂离子截然不同。

这些电池的设计类似于锂离子电池,包括使用了液体电解质等,但它们不依赖于锂,而是使用钠作为主要的化学成分。

据报道,中国电池巨头宁德时代计划在 2023 年开始大规模生产这些电池。钠离子电池可能不能提高性能,但它们可以降低成本,因为它们依赖于比锂离子化学材料更便宜、更广泛的材料。

但目前尚不清楚这些电池,能否满足电动汽车续航里程和充电时间的需求,这就是为什么一些追求这项技术的公司比如美国的 Natron,瞄准了要求较低的应用,如固定存储或电动自行车和摩托车等中小型移动设备。

能源研究机构 BloombergNEF 的能源存储主管弥生世金(Yayoi Sekine)指出,如今针对固定电网存储的电池市场规模很小,大约是电动汽车电池市场规模的十分之一。

但是,随着安装更多的可再生能源,对电力储存的需求正在增长,因为风能和太阳能等主要的可再生能源是不可控的,而电池可以在需要的时候帮助储存能源。

锂离子电池并不是理想的固定存储,尽管它们被广泛使用。虽然电动汽车的电池更小、更轻、更快,但固定存储的主要目标是降低成本。大小和重量对电网存储并不重要,这意味着不同的化学物质很可能受到青睐。

在固定储存领域,铁也受到了格外关注。两家公司可能会在未来一年间宣布进展:Form Energy 公司正在开发一种铁-空气电池,它使用水基电解质,本质上是通过可逆生锈来储存能量。

该公司最近宣布,将在美国西弗吉尼亚州的威尔顿成立一个价值 7.6 亿美元的制造工厂,计划于 2023 年开始建设。

另一家名为 ESS 的公司正在制造一种不同类型的铁电池,采用类似的化学成分。它已经开始在美国俄勒冈州威尔逊维尔的总部进行生产。

标准的改变

锂离子电池越来越好,也越来越便宜,但研究人员正在进一步调整技术,以实现更高的性能和更低的成本。

其中一些动机来自于电池材料的价格波动,这可能会促使企业改变化学成分。“这是一个成本游戏,”Sekine 说。

阴极通常是电池中最昂贵的部件之一,而一种被称为镍锰钴(nickel manganese cobalt)的阴极是当今电动汽车电池使用的主要材料。

但除了锂之外,这三种元素都很昂贵,所以削减部分或全部元素可能有助于降低成本。

2023 年我们可能看到替代方案的突破:磷酸铁锂(lithium iron phosphate),这是一种低成本的阴极材料,有时被用于锂离子电池。

最近在磷酸铁锂化学和制造方面的新成果,帮助提高了这些电池的性能,企业也开始采用这项技术。磷酸铁锂的市场份额正在迅速增长,从 2018 年全球电动汽车市场的约 10% 上升到 2022 年的约 40%。

特斯拉已经在一些汽车上使用了磷酸铁锂电池福特和大众等汽车制造商宣布,他们也计划开始为一些车型提供这种电池。

虽然电池的研究倾向于集中在阴极化学上,但阳极也不容忽视。如今,无论阴极的组成如何,锂离子电池中的大多数阳极都使用石墨来容纳锂离子。但硅等替代品可能有助于提高能量密度,加快充电速度。

硅阳极多年来一直是研究的对象,但从历史上看,它们的寿命还不足以支撑大型产品。不过,现在各公司正开始扩大这种材料的生产。

2021 年,初创公司 Sila 开始为可穿戴健身设备的电池生产硅阳极。该公司最近获得了美国能源部提供的 1 亿美元拨款,用于帮助在华盛顿的摩西湖市建立一个制造工厂。该工厂将为 Sila 与奔驰的合作生产产品,预计将从 2025 年开始生产电动汽车电池的材料。

其他初创公司正在努力将硅和石墨混合在一起,形成阳极。比如 Sionic Energy公司,以及与通用汽车合作的 OneD Battery Sciences 公司,都有望在 2023 年进一步实现商业化。

政策决定产品

2022 年底,美国通过了《降低通货膨胀法案》,为气候和清洁能源拨出了近 3700 亿美元的资金,其中包括数亿美元用于电动汽车和电池制造。“每个人都在关注这项法案,”麻省理工学院的材料研究人员、多家电池公司的创始人蒋业明(Yet Ming Chiang)表示。

《降低通货膨胀法案》将向美国的电池制造商提供贷款和资助,以提高产能。此外,该法律中的电动汽车税收抵免,鼓励汽车制造商从美国或其自由贸易伙伴那里采购电池材料,并在北美生产电池。

由于《降低通货膨胀法案》的补助和电动汽车税收抵免限制,汽车制造商将继续宣布在美国补充新的产能,并寻找材料方面的新方法。

所有这些都意味着,人们对锂离子电池的关键成分的需求将会越来越多,包括锂、钴和镍。

由该法案可能带来的一个结果是,人们对电池回收的兴趣正在增加。虽然短期内没有足够的淘汰电动汽车,来满足对于一些关键材料的需求,但回收利用正开始升温。

在这方面,宁德时代和其他中国公司在电池回收方面处于领先地位。不过在 2023 年,北美和欧洲等其他主要电动汽车市场可能会出现显著增长。

总部位于美国内华达州的 Redwood Materials 和总部位于加拿大多伦多的 Li-Cycle 公司正在建设设施,并致力于分离和净化锂和镍等关键的电池金属,以便在电池中重复使用。

Li-Cycle 公司将于 2023 年开始调试其主要回收设施。Redwood Materials 公司则已经开始在内华达州的工厂生产一种铜箔作为其首款产品。最近它还宣布,计划从 2023 年开始在南卡罗来纳州建造第二家工厂。

总体来说,通过全球各地政策所注入的大量资金,推动了对电动汽车及其电池的需求,因此对于电池产业来说,2023 年将是值得关注的一年。



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