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2024 年 2 月 25 日
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【阮嗣宗專欄】電動車革命的新電池呼之欲出

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電動車電池領域正在醞釀一場革命。日本汽車製造商豐田去年表示,目標是在 2027-28 年推出一款可行駛 1,000 公里、僅需 10 分鐘即可充電的汽車,所使用的電池類型將液體成分替換為固體成分。中國製造商已宣布推出 2024 年廉價車,其電池不是基於為當今最好的電動車 (EV) 提供動力的鋰,而是基於廉價的鈉——地殼中最豐富的元素之一。美國一家實驗室用一種夢幻電池讓世界感到驚訝,這種電池部分依靠空氣1運行,可以儲存足夠的能量來為飛機提供動力。尼古拉瓊斯 Nicola Jones發表在最新一期《自然》(Nature)的<可為電動車革命提供動力的新型汽車電池>( The new car batteries that could power the electric vehicle revolution)指出,研究人員正在嘗試不同的設計,以降低成本、延長車輛行駛里程並提供其他改進。(Researchers are experimenting with different designs that could lower costs, extend vehicle ranges and offer other improvements.)

2035 年或更早新車都必須都是電動車

這些和其他公告依賴幾十年來主導電動車的傳統鋰離子電池的替代設計。儘管鋰離子電池很難被擊敗,但研究人員認為,一系列選擇很快就會填補市場的不同細分市場:有些非常便宜,有些則提供更多電力。「我們將看到市場多元化,」加州大學柏克萊分校的材料科學家 Gerbrand Ceder 說。

人們對更好的汽車電池的追求非常激烈,很大程度上是因為市場正在快速成長。十多個國家已宣布,到 2035 年或更早,所有新車都必須是電動車。國際能源總署預測,全球道路上的電動車保有量將從 2021 年的 1,650 萬輛增加到 2030 年的近 3.5 億輛(參見go.nature.com/42mpkqy),電動車電池的能源需求將達到14太瓦到 2050 年,發電量(太瓦時)將是 2020 年的 90 倍2。

汽車電池有一系列嚴格的要求

汽車電池有一系列嚴格的要求。他們需要將大量能量裝入盡可能少的材料和重量中,以便汽車可以一次充電而走得更遠。它們需要提供足夠的動力來加速、快速充電、使用壽命長(通用標準是能夠承受1,000 次完整充電週期,這應該可以讓消費者使用10-20 年)、在寬溫度範圍內工作良好、安全且價格實惠。「同時優化所有這些事情非常困難,」加拿大滑鐵盧大學電池研究員 Linda Nazar 說。

因此,研究人員正在尋求多種選擇,並考慮到不同的目標。美國能源部 (DoE)於 2017 年啟動的Battery500 計畫的目標是使電池能量密度達到每公斤 500 瓦時 (Wh kg –1 ),比當今最好的產品提高 65%。PROPEL -1K 計畫由美國能源高級研究計畫署去年啟動,其長期目標雄心勃勃,目標是 1,000 Wh kg –1。至於成本,美國能源部車輛技術辦公室的目標是到2030 年達到每千瓦時60 美元,約為當今價格的一半,它認為這將意味著電動車的價格將與高耗油汽油驅動的汽車的成本持平引擎。

許多電池化學物質仍然具有誘人的可能性

很難確定事情的現狀。有關尚未發布的電池或汽車的商業公告有時會強調一項指標而不是其他指標,並且專有聲明可能無法檢查,除非電池在現實世界的汽車中進行了多年的測試。但很明顯,幾十年來在固態電池和鈉電池等變體上的研究終於取得了成果,納札爾說。至於遙遠的未來,許多電池化學物質仍然具有誘人的可能性。「現在每個人都承認電池開發非常重要,每個人都在努力做到這一點,」她說。

電池實際上是化學三明治,其工作原理是透過某種中間材料(電解質)將帶電離子從一側(陽極)穿梭到另一側(陰極),同時電子在外部電路中流動。為電池充電意味著將離子分流回陽極。

如今,大多數電動車都使用某種鋰離子電池。鋰是元素週期表中第三輕的元素,具有活性外層電子,使其離子成為重要的能量載體。鋰離子在通常由石墨製成的陽極和由金屬氧化物製成的陰極之間移動,兩者的原子層之間都含有鋰離子。電解質通常是有機液體。

鋰離子電池將在很長一段時間內佔據主導地位

自 1991 年推出第一個商業產品以來,鋰離子電池已經有了很大改進:電池能量密度幾乎增加了兩倍,而價格卻下降了一個數量級。「鋰離子電池是一個強大的競爭對手,」Ceder 說。隨著進一步的改進,有人說鋰離子電池將在很長一段時間內佔據主導地位。「我認為鋰離子電池將在未來幾十年內成為電動車的動力技術,因為它已經足夠好了,」加州洛斯阿圖斯最近退休的科學家Winfried Wilcke 說道,他在2009 年至2015 年期間領導了IBM Research 電池專案。

迄今為止,鋰離子電池的大部分改進都來自陰極材料的改變,從而產生了多種商業電池類型。其中一種在筆記型電腦中很流行,使用鈷酸鋰,這種電池生產的電池相對較輕但價格昂貴。其他在許多汽車中流行的材料則使用鎳和鈷與鋁或錳的混合物作為穩定劑(NCA 和 NCM)。然後是磷酸鐵鋰(LFP),它不需要昂貴的鈷和鎳,但迄今為止能量密度相對較差。LFP 的價格使其具有吸引力,許多研究人員和公司正在努力改進它;美國電動車製造商特斯拉於 2021 年決定在其中檔車中更換為 LFP 電池。

比矽陽極更好的是鋰本身「沒有任何浪費的材料,」

陰極還有更多調整的空間。在三元電池中,研究人員一直在削減更昂貴的鈷,轉而使用鎳,鎳也提供了更高的能量密度。這條道路導致了含 80% 鎳的商用 NCM811 電池陰極,研究人員目前正在研究含 90% 鎳的 NCM955。

同時,在陽極,一個常見的選擇是將石墨換成矽,這種材料每單位重量可以儲存十倍以上的鋰原子。挑戰在於,矽在充放電循環期間膨脹和收縮約 300%,給電池帶來很大的結構壓力並限制其使用壽命。

比矽陽極更好的是鋰本身。「沒有任何浪費的材料,」位於維吉尼亞州阿靈頓的美國能源部車輛技術辦公室的化學工程師 Brian Cunningham 說。除了減輕重量之外,這還可以加快充電速度,因為無需等待鋰離子插入任何層之間(從技術上講,這種變化使設計成為鋰金屬而不是鋰離子電池)。但這種策略的一個大問題是,在充電過程中,鋰往往會不均勻地重新沉積在陽極上,熱點會形成稱為樹突的捲鬚,這些卷鬚會穿過電解質並使電池短路。

用固體電解質取代液態電解質

理論上,具有更好電極的鋰電池可以實現巨大的能量密度,但通常在電池壽命或安全性方面需要權衡。去年,中國的一組研究人員報告了一種帶有鋰金屬陽極(和一種富鋰陰極)的電池,其在實驗室中的能量超過了 700 Wh kg –1 4。該集團位於北京的新創公司WeLion New Energy致力於開發這種電池以及其他選擇並將其商業化。另一個提供高能量密度的理想想法是鋰硫(LiS)電池,具有鋰金屬陽極和硫陰極。但硫會與鋰反應生成可溶性產物,這些產物會沉積在陽極上並殺死電池。Ceder 表示,LiS「已經嘗試了 30 年,但仍面臨重大挑戰」。由於這些問題困擾著配備更好電極的電池,許多人表示,最有吸引力的解決方案是用固體電解質取代液態電解質。

固態電池的想法是使用陶瓷或固體聚合物作為電解質,它可以容納鋰離子的通道,但有助於阻止枝晶的形成。這不僅使得全鋰陽極的使用變得更加容易——具有隨之而來的能量密度優勢——而且擺脫易燃有機液體也意味著消除可能引起火災的危險。納札爾說,固態電池的電池架構比液態電池的電池架構更簡單。理論上,固體電池在低溫(因為冷時沒有液體變得更黏)和高溫(因為與電極的界面在熱時不會受到太大影響)下工作得更好。

粉碎鋰電池有助於回收嗎?

但也存在挑戰:特別是如何在層與層之間製造出光滑、完美的介面。此外,離子通過固體的傳輸往往比通過液體的傳輸慢,從而限制了功率。固態電池需要全新的製造流程。「從我們所看到的來看,它們會更貴,」塞德說。「固態技術有著廣闊的前景。沒有問題。但要實現這一目標非常困難,」威爾克說。

一些電池公司正在推進固態電池。例如,位於科羅拉多州路易斯維爾的 Solid Power 公司(與汽車製造商寶馬和福特合作)已經開始試生產帶有矽基陽極的固態電池,據稱其功率達到 390 Wh kg –1,而加利福尼亞州QuantumScape(已與大眾汽車等製造商簽署了協議)擁有一種固態電池,它具有鋰陽極的優點,並且重量更輕,無陽極設計。鋰金屬聚集在陽極側,但那裡不需要鋰板。其中一些電池細節是專有的。QuantumScape 已經發布了一些原型性能數據,但沒有透露其電解質是由什麼製成的,也沒有透露其預期的第一個商業產品的能量密度是多少。Ceder 表示,總的來說,固態電池所宣稱的更高能量密度「目前尚未在任何商業規模上得到證實」。

有一些雄心勃勃的中國公司

由固態電池驅動的實際汽車似乎永遠在地平線上:例如,豐田原定在 2020 年代初將其商業化的目標日期現在已推遲到 2020 年代末。談到電池,「豐田在過去十年裡說了很多話,但都沒有實現,」Ceder 警告。但納札爾認為整體上這個時間框架是現實的。「我相信,到 2025 年,我們可能會看到其中一些電池的市場入侵,」她說,特別是考慮到該案中有一些雄心勃勃的中國公司。其中包括全球最大的電池製造商寧德時代新能源科技有限公司(CATL),總部位於寧德。

同時,許多研究人員正在尋求改進固態的方法。德國慕尼黑工業大學的化學家 Jennifer Rupp 在慕尼黑成立了一家名為 QKera 的公司,該公司生產陶瓷電解質的溫度通常是 1,000 °C 的一半。這不僅有助於限制製造過程中使用的熔爐的二氧化碳排放,也有助於解決電解質與陰極結合的一些問題。納扎爾說,另一個有希望的角度是用於固態電池的新型鹵氧化物電解質。其中一些是「粘性的」,因此更靈活,這應該會簡化製造並使其不易破裂。有些具有極高的電導率,讓鋰離子像穿過液體而不是固體一樣快速穿過,帶來相關的功率優勢。Cunningham 表示,其他公司正在開發 LiS 的固態版本。

額外的電子轉化為更高的能量密度

許多人說,這種固態彩虹末端的「金罐」電池將是鋰空氣設計。這種電池使用鋰金屬陽極,陰極基於鋰與氧氣的結合,氧氣從空氣中吸收,並在電池充電時再次釋放。部分原因是電池中不儲存關鍵的陰極成分,這種設計每公斤可以容納更多的能量。但這個想法長期以來似乎都是推測性的。「我的一些同事稱之為童話化學,」納札爾說。

伊利諾伊州萊蒙特阿貢國家實驗室的材料科學家拉里·柯蒂斯(Larry Curtiss) 和他的同事在2023 年發表了一篇令人驚訝的論文,該論文展示了一種在實驗室中測試了1,000 多次循環的固態實驗性鋰空氣電池。該團隊表示,其硬幣大小的測試電池的運行功率約為 685 Wh kg –1,應該能夠達到 1,200 Wh kg –1,是目前鋰離子電池所能達到的功率的四倍,大致相當於汽車中汽油的能量密度。這個實驗系統使用了一種新的化學物質,這種化學物質甚至讓研究它的團隊都感到驚訝。先前的鋰空氣電池專案通常使用液體電解質,在陰極製造超氧化物鋰(LiO 2)或過氧化鋰(Li 2 O 2 ),每個氧分子儲存一個或兩個電子。新電池改為生產氧化鋰(Li 2 O),可容納四個電池。這些額外的電子轉化為更高的能量密度,而且該系統似乎比以前的努力更加穩定,這應該會導致更長的電池壽命。

這絕對是一個比鋰硫更長的時間跨度

「他們所做的事情令人難以置信,」威爾克說。「他們可以使用含有水分和二氧化碳的普通髒空氣以及未經過濾的空氣中發現的所有其他垃圾。不是問題,」威爾克說。但許多人表示,他們希望在興奮之前看到這項努力得到複製。儘管它是一個很棒的能量儲存系統,但目前還不清楚它在實踐中如何運作——例如,如何讓空氣進出,以及是否可以將其建造得更大並在更高的電流下工作。「這絕對是一個比鋰硫更長的時間跨度,」坎寧安說。

柯蒂斯表示,鑑於航空業的能量密度如此之大,該團隊正在考慮將航空業視為該技術的最佳應用。威爾克同意。威爾克表示,能量密度是「飛機的一個非常非常大的因素」,他特別看好電動垂直起降飛機,預計將被用作「飛行出租車」。如果這聽起來像科幻小說,那麼電動空中計程車已於 2023 年 10 月獲得在中國飛行的許可(即使沒有飛行員),並且有幾家公司製造了可以使用鋰離子電池飛行數百公里的飛行器。威爾克說,空中計程車可以避開交通擁堵,將你從機場帶到飯店,這是一個即將起飛的新興產業。

選擇一種廉價且長期可持續的電池化學物質

隨著對蘊含更多能量的神奇電池的不斷探索,一些科學家認為,最迫切的問題是需要選擇一種廉價且長期可持續的電池化學物質。

Ceder 表示:「最大的挑戰與資源相關。」他計算出,預計到 2050 年汽車所需的 14 TWh 將需要 1,400 萬噸金屬。好多啊; 相比之下,當今全球鋰開採量約為每年13 萬噸,而鈷開採量接近20 萬噸,鎳開採量為330 萬噸——這適用於所有用途,包括非電動汽車電池以及鎳、不銹鋼。由於所需的數量,選擇不稀缺或不昂貴且開採時不會造成過度環境破壞的金屬非常重要。

電動車和電池:世界如何生產足夠的產品?

許多研究人員和公司正在嘗試製造不使用鎳、鈷或其他昂貴金屬的電池。例如,QuantumScape 表示,其電池具有這一優勢,鋰空氣概念、LiS(如果可以工作的話)、其他實驗材料7以及已經商業化的 LFP 陰極(儘管 LFP 可能會對磷資源造成壓力)也是如此。如果該技術規模擴大很多)。Ceder 正在尋找稱為無序岩鹽 (DRX) 8 的替代陰極。這些依賴於這樣的想法:鋰離子只能蜿蜒穿過晶體陰極,而不是沿著層狀有序路徑,因此陰極幾乎可以用任何過渡金屬製成。Ceder 的團隊青睞錳和鈦。他預計第一批採用 DRX 陰極的電池將比目前的鋰離子電池更便宜,並能達到相當的能量密度。

也許最終目標是擺脫鋰本身——由於需求旺盛和供應緊張,這種金屬的價格大幅波動。例如,2022-23 年,電池級碳酸鋰價格短暫飆升至平時的六倍。

研究人員曾嘗試用鎂、鈣、鋁和鋅等許多其他電荷載體取代鋰,但對鈉的研究是最先進的。在元素週期表中,鈉位於鋰的正下方,使其原子更重、更大,但具有相似的化學性質。這意味著鋰電池開發和製造的許多經驗教訓可以複製到鈉電池上。而且鈉的來源也更容易:地殼中的鈉含量大約是鋰的 1000 倍。Ceder 表示:「鈉的儲量豐富得令人難以置信。」他認為鈉電池最終的成本可能約為每千瓦時 50 美元。

鈉電池已經投入生產(請參閱go.nature.com/3tnwdgt)。中國企業集團比亞迪於 2024 年初取代特斯拉成為全球最大的電動車製造商,其首座鈉離子電池工廠已破土動工。中國汽車製造商奇瑞、江鈴新能源和江淮汽車今年都宣佈在中國推出由鈉離子電池驅動的廉價車款。這些小型汽車的價格預計在 10,000 美元左右。

從好的方面來說,鈉較大的原子尺寸為可用於陰極層狀金屬氧化物的金屬提供了更多選擇,Ceder 說:「化學靈活性更大。」 納札爾說,研究人員也可以用鈉製造無陽極固態電池——這是一個誘人的可能性。

鋰離子電池需要更環保、更道德

但與鋰相比,鈉的重量更重,這使得它從根本上更難達到高能量密度。也沒有太多時間來開發最好的電極和電解質——鈉離子電池的能量密度現在大致與十年前最好的鋰離子電池相當。CATL 的鈉電池預計到 2021 年能量密度將達到 160 Wh kg -1,報告價格為每千瓦時 77 美元;該公司表示,其下一代機型的電池電量將增加至 200 Wh kg –1 。較低的能量密度意味著續航里程有限。預計使用鈉電池的超緊湊型汽車宣傳的續航里程約為 250-300 公里,而鋰動力特斯拉 Model S 的續航里程接近 600 公里。

「它需要化學方面的進步才能達到美國汽車市場所需的水平,」坎寧安說,因為美國的消費者已經習慣了更長的駕駛時間和更大的汽車。

一些公司,包括英國的 Faradion 和瑞典的 Northvolt,正在推廣他們的鈉電池(兩者的廣告容量均為 160 Wh kg –1),為電網儲存多餘的可再生能源,而鈉的重量問題則較不嚴重。

提出新的固態電解質設計並優化規格

電池開發非常繁重,因為材料的行為並不總是可預測的。例如,Rupp 表示,研究人員目前需要 8 至 15 年的時間才能提出新的固態電解質設計並優化規格,包括使用哪些添加劑以及如何包裝高密度鋰。魯普說,「這讓身為材料科學家的我在退休前可以多研究兩種半的材料」。「這太慢了」。

人工智慧(AI)和自動合成提供幫助,可以幫助更快地探索更多選擇。例如,美國能源部位於華盛頓州里奇蘭的太平洋西北國家實驗室正在與微軟合作,快速開發新的電池材料;以這種方式發現的鋰鈉固體電解質目前正在進行初步測試。

但納札爾說,這些人工智慧策略受到化學家必須輸入的資訊的限制。她說,關於電極和電解質材料界面在原子層面上實際發生的情況,仍存在許多未知數。

最後,專家表示,我們可能會為未來的汽車看到一系列電池——就像我們今天的 2 缸、4 缸和 6 缸引擎一樣。例如,我們可能會看到鈉電池或 LFP 用於低續航里程汽車、堆高機或特殊車輛。然後可能會出現改良的鋰離子電池,可能使用矽陽極或岩鹽陰極,用於中檔車輛,或者固態鋰電池將取代這個類別。然後可能會出現用於高端汽車或飛行出租車的 LiS 甚至鋰空氣電池。但還有很多工作要做。「目前尚未商業化的所有不同化學物質都有其優點和缺點,」坎寧安說。「我們的工作就是消除所有這些缺點。」

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