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鋰電池改變了我們的生活,但它可能不是電動車的未來

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今年的諾貝爾化學獎頒給了鋰電池的發明者,正如諾貝爾委員會的頒獎詞:「鋰離子電池已經徹底改變了我們的生活,從手機到筆記本電腦和電動汽車,鋰離子電池無處不在。」

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雖然鋰電池為人類擺脫化石燃料的依賴作出了巨大貢獻,讓汽車產業邁向電動化,但隨著人們對鋰電池需求的增加,鋰電池技術的瓶頸也逐漸暴露。就連鋰電池的發明者之一的John Goodenough對鋰電池的未來也不樂觀。

我的工作還沒有完成。在鈷氧化物陰極發明35 年後,電動能源汽車在價格上仍然不能與傳統的內燃機汽車競爭。而太陽能和風能發電的儲存成本太高,只能立即使用。我們的前景不容樂觀。

一位從事電池研發多年的技術人員Tiger曾告訴 ifanr,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個方面。

其中鋰電池的能量密度是製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,可以達到60%-80%,而內燃機的能量效率只有20%-60%,但這並還不足以彌補鋰電池能量密度低的缺點。

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▲ 電動車內電池組的單節電池

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300 Wh/Kg,然而汽油的能量密度卻能能達到2000Wh / kg,幾乎是鋰電池的10 倍,也就是說要達到燃油車60 升的油箱同樣的能量,需要400 多公斤的鋰電池。

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▲圖片來自:japantimes\

這也是全電動飛機一直遲遲無法實現的重要原因,因為電池要佔用飛機更多的空間,像波音737這種大型飛機,所需的電池重量甚至要比機身更重,這顯然不現實。

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為3年,可充電/放電超過500次,但樣的壽命會拉低的電動車的性價比,需要改變電極材料來延長壽命。以特斯拉為例,其電池的循環壽命並不長,但因為單次充電的續航更長,拉長了電池的使用周期。

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▲ 特斯拉的電池工廠. 圖片來自:The Verge

目前一些電動車開始使用壽命更長磷酸鐵鋰電池,據悉比亞迪透露明年將推出採用磷酸鐵鋰電池的電動車,壽命可以達到8年120萬公里,成本還能節約30%,但這種電池的缺點是能量密度提升的空間有限。

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的預測,到2025年鋰的消耗量將翻兩番,全球鋰電池市場規模估計將超過1000億美元。

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▲圖片來自:Adroit Market Research

有機構通過測算,發現僅僅考慮電動車,2050 年就能消耗陸地上三分之一鋰,到2080 年陸地上的鋰資源將被完全耗盡。雖然海洋上的鋰儲備高達2300 億噸,但目前還沒有可大規模商用的提取技術。

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

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▲圖片來自:Sims Recycling Solutions

但鋰電池和石油不一樣的是,鋰可以被回收再利用,據稱最高可實現95% 的回收利用率。如果能夠實現鋰金屬高效的回收,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,而且回收再利用的成本並不低,甚至比開採鋰礦還高。

而電動車比燃油汽車更加環保的傳統印象,其實也不太準確。的確,在消費者駕駛電動車的過程中的碳排放確實比燃油車要低得多,但這並不意味著電動車更加環保,電動車只是將污染前移到了生產環節。

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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% 到70%。而且這還沒計算開採鋰礦以及鋰電池回收不當對環境造成的污染,比如在智利一些地區,65% 的水用於鋰生產,很容易對水資源造成污染。

顯然,目前的鋰電池還存在很多短板,而且在過去20年可商用的電池技術也沒有取得太大突破,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的電池技術, IBM Research旗下的電池實驗室就正在開發從海水提取物質來製作無鈷電動車電池的技術,這項技術能在5分鐘內充電至80%,且在成本和能量密度等方面都要優於現在的鋰電池。

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目前賓士、日本電池電解質供應商 Central Glass 等廠商已經和IBM 達成合作,來推動這項電池技術的商用,但究竟什麼時候會推出市場還不得而知。

鋰電池的未來,也不一定被新材料取代,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 至今仍投入在全固態電池的研發中,希望讓鋰電池達到新的高度,目前已經取得了一些研究成果。

無論如何,鋰電池的革命或許離我們不遠了。

 

 

消息/圖片來源:ifanr

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Freddie

Freddie

擔任3C技術編輯已有數年。3C業界水深,繼續努力。