鋰電池雖已改變科技生活,但能量密度仍不足擔負未來應用

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 24 日 17:15 | 分類 汽車科技 , 零組件 , 電動車 Telegram share ! follow us in feedly


今年諾貝爾化學獎頒給鋰電池發明者,正如諾貝爾委員會的頒獎詞:「鋰離子電池已徹底改變了我們的生活,從手機到筆電和電動車,鋰離子電池無處不在。」

雖然鋰電池為人類擺脫化石燃料有巨大貢獻,讓汽車產業邁向電動化,但隨著對鋰電池需求增加,技術瓶頸也逐漸暴露,就連鋰電池發明者之一的 John Goodenough 對鋰電池的未來也不樂觀。

我的工作還沒完成。鈷氧化物陰極發明 35 年後,電動能源車在價格仍然不能與傳統內燃汽機車競爭。而太陽能和風能發電的儲存成本太高,只能立即使用。我們的前景不太樂觀。

一位從事電池研發多年的技術人員 Tiger 曾說,現階段電池的技術瓶頸主要在能量密度、循環壽命和溫度特性三方面。

鋰電池的能量密度是制約交通行業進一步電動化的最大瓶頸之一。鋰電池相比內燃機的優點在於能量效率更高,可達 60%~80%,而內燃機的能量效率只有 20%~60%,但還不足以彌補鋰電池能量密度低的缺點。

▲ 電動車電池組的單節電池。

目前工業生產的鋰電池能量密度普遍在 150~300Wh/Kg,只有特斯拉等少數廠商能突破 300Wh/Kg,然而汽油的能量密度卻能能達 2,000Wh/kg,幾乎是鋰電池的 10 倍,也就是說要達到燃油車 60 升的油箱同樣能量,需要 400 多公斤鋰電池。

(Source:pixabay

這也是全電動飛機一直遲遲無法出現的重要原因,因為電池要占用飛機更多空間,像波音 737 這種大型飛機,所需電池重量甚至比機身更重,這顯然不實際。

如果要提高鋰電池的能量密度,代價之一就是減少循環壽命,一般手機的鋰電池的壽命約 3 年,可充電/放電超過 500 次,但這樣會拉低電動車的性價比,需要改變電極材料來延長壽命。以特斯拉為例,電池的循環壽命並不長,但因為單次充電的續航更長,拉長了電池的使用週期。

目前一些電動車開始使用壽命更長的磷酸鐵鋰電池,據悉比亞迪透露明年將推出採用磷酸鐵鋰電池的電動車,壽命可達 8 年 120 萬公里,但這種電池的缺點是能量密度較低、低溫環境性能不佳,以及成本較高。

此外,隨著鋰電池的廣泛應用,碳酸鋰的產量很快可能就無法滿足日益膨脹的市場需求。根據市場調機構 Adroit Market Research 預測,到 2025 年鋰的消耗量將翻兩倍,全球鋰電池市場規模估計將超過 1,000 億美元。

有機構透過測算,發現僅考慮電動車,2050 年就能消耗陸地三分之一鋰,到 2080 年陸地的鋰資源將完全耗盡。雖然海洋的鋰儲備高達 2,300 億噸,但目前還沒有大規模商用的提取技術。

鋰資源短缺會造成鋰電池成本上升,最終變成另外一種「石油」。曾有一種觀點認為汽車業從石油從轉向鋰電池,不過是從一種有限的資源換到另一種有限的資源。

(Source:Unsplash

但鋰電池和石油不一樣的是,鋰可回收再利用,據稱最高可有 95% 回收利用率。如果能做到鋰金屬高效回收,能有效緩解鋰資源短缺的問題,但目前鋰電池的回收率並不高,且回收再利用的成本並不低,甚至比開採鋰礦還貴。

而電動車比燃油車更環保的傳統印象,其實也不太準確。的確,消費者駕駛電動車時碳排放確實比燃油車低,但不意味著電動車更環保,電動車只是將污染往前移到生產環節。

有研究表明,如果考慮電動車電池的生產,製造一輛電動車產生的碳排放比一輛燃油車多 15%~70%,且這還沒計算開採鋰礦及鋰電池回收不當對環境造成的污染,比如智利一些地區,65% 水用於鋰生產,很容易污染水資源。

顯然,目前鋰電池還有很多弱點,且過去 20 年可商用的電池技術也沒有太大突破,但激增的市場需求迫使人類要盡快找到更好的電池方案,《自然》雜誌曾在 2018 年預測「我們距離鋰電子電池革命僅剩下 10 年」。

事實上科學家一直沒有停止研發新電池技術,IBM Research 旗下的電池實驗室就正在開發從海水提取物質製作無鈷電動車電池的技術,能在 5 分鐘內充電至 80%,且成本和能量密度等方面都優於現在的鋰電池。目前梅賽德斯─賓士、日本電池電解質供應商 Central Glass 等廠商已和 IBM 達成合作,推動這項電池技術商用,但究竟什麼時候會推出還不得而知。

(Source:IBM

鋰電池的未來,也不一定會被新材料取代,也還可能取得更大的突破。現年 97 歲的「鋰離子電池之父」 John Goodenough 至今仍投入全固態電池研發,希望讓鋰電池達到新高度,目前已取得一些研究成果。

無論如何,鋰電池革命或許離我們不遠了。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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