電動(dòng)車(chē)需要功率強勁、輕巧而又可負擔的電池。*有可能滿(mǎn)足這些條件的是商用鋰離子電池——這類(lèi)電池相對結構緊湊而穩定。然而，目前車(chē)用鋰離子電池依然過(guò)于龐大和昂貴，這阻礙了它們的廣泛應用。
過(guò)去二十年來(lái)，可充電式鋰離子電池的性能一直在穩步提升。一升體積的電池包中所儲存的能量從大約200瓦小時(shí)每升增加到了700瓦小時(shí)每升以上，提高了兩倍有余。電池的成本降低了30倍，現在的成本約為每千瓦時(shí)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(jià)格目標（每千瓦時(shí)100美元）。與此同時(shí)，電能容量足以驅動(dòng)汽車(chē)（50到100千瓦時(shí)）的電池組依然重約600千克，還要占用500升的空間。
由于常規技術(shù)開(kāi)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。電極材料的晶體結構空隙中可容納的電荷量已經(jīng)接近理論值的上限，而預計的市場(chǎng)規模增長(cháng)將不會(huì )顯著(zhù)地降低電池價(jià)格——現在的市場(chǎng)規模已經(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(guò)去的兩年里，動(dòng)力電池生產(chǎn)規模的飛速增長(cháng)已經(jīng)將鈷的價(jià)格從每千克22美元推高到了每千克81美元，是過(guò)去價(jià)格的近四倍。
強需求和高價(jià)格已經(jīng)開(kāi)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(kāi)采時(shí)產(chǎn)生的粉塵使得農作物受損，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(kāi)采礦石的小礦山常常無(wú)視法律。包括寶馬在內的部分公司遵循嚴格的內部守則，篩選他們的鈷供應商，但很多公司并不這么做。
因此，急需開(kāi)發(fā)基于鐵和銅之類(lèi)便宜且常見(jiàn)金屬的替代電極。在我們看來(lái)，* 具潛力的候選替代材料涉及到所謂的“轉化材料”，比如氟化鐵、氟化銅和硅。這些材料通過(guò)與鋰離子形成化學(xué)鍵來(lái)儲存它們，但這種技術(shù)仍處于研發(fā)初期，還需要克服穩定性、充電速度和規?；a(chǎn)的問(wèn)題。
我們呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機構優(yōu)先考慮基于高儲量元素的電極的研究與開(kāi)發(fā)。否則，電動(dòng)車(chē)在未來(lái)十年內的應用將會(huì )受阻。
鋰離子電池通過(guò)在兩個(gè)電極之間交換鋰離子而工作。鋰離子在電池內從負極流動(dòng)到正極同時(shí)放電，這一過(guò)程可以驅動(dòng)汽車(chē)。當電池充電時(shí)，鋰離子流回負極。
在時(shí)下的商業(yè)化電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池中，鋰離子保存在構成電極的晶體結構的空隙中，這就是所謂的離子嵌入電極?，F有的負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(xiě)NCA，常用成分LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳酸鋰（縮寫(xiě)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(dòng)車(chē)鋰離子電池要消耗6-12千克鈷和36-48千克鎳。
金屬的價(jià)格反映了需求、供給和冶煉礦石的成本。鈷的高價(jià)源于它的稀有和巨大市場(chǎng)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(kāi)采的副產(chǎn)品，可能也需要從其他金屬中分離出來(lái)。
極少有鈷礦脈能達到值得專(zhuān)門(mén)開(kāi)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(jià)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(huì )大幅上升（參見(jiàn)“金屬價(jià)格”）。
因此，在地殼總蘊藏量為10^15噸的鈷中，只有約10^7噸是值得開(kāi)采的。與此類(lèi)似，在10^15噸的鎳儲量中，只有10^8噸有商業(yè)開(kāi)采的價(jià)值。
僅在少數地區才能找到富鈷礦石。2015年，剛果民主共和國占全世界鈷開(kāi)采量（14.8萬(wàn)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(wàn)噸至40萬(wàn)噸之間。澳大利亞保有全世界14%的鈷儲量，但還沒(méi)有全力開(kāi)采它們。深海海床上也可以開(kāi)采到鈷，但深海采礦的經(jīng)濟和環(huán)境成本都過(guò)于高昂。
與鈷類(lèi)似，鎳的生產(chǎn)也被十來(lái)個(gè)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(wàn)噸鎳開(kāi)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(guò)一系列氫氣和一氧化碳的反應。雖然如此，自2015年以來(lái)，不斷上升的需求也推動(dòng)鎳的市場(chǎng)價(jià)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(jià)格都曾經(jīng)歷過(guò)暴漲和暴跌。比如在2008-2009年，澳大利亞的供應量降低，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)需求增大，加之對沖基金經(jīng)理的投機預期，導致鎳價(jià)格暴漲5倍、鈷價(jià)格暴漲2倍。
如果沒(méi)有意料之外的改變的話(huà)，未來(lái)20年內鎳和鈷將供不應求。我們預期鈷短缺將會(huì )在2030年發(fā)生，鎳短缺將在2037年或之前發(fā)生。
汽車(chē)廠(chǎng)商和政府預計，到2025年，電動(dòng)車(chē)的年產(chǎn)量將達到1000萬(wàn)至2000萬(wàn)輛。如果每輛車(chē)的電池需要10千克的鈷，屆時(shí)每年電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的鈷需求將達到10萬(wàn)至20萬(wàn)噸——這將消耗當今世界絕大部分的鈷年產(chǎn)量。
與此類(lèi)似，電動(dòng)車(chē)將每年消耗40萬(wàn)至80萬(wàn)噸的鎳，相當于現在鎳年用量的20%—40%。如果貨車(chē)、公共汽車(chē)、飛機乃至船舶也使用電池驅動(dòng)的話(huà)，這些金屬的需求將會(huì )更大。
到2050年，年產(chǎn)5000萬(wàn)至8000萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)將要消耗50萬(wàn)至80萬(wàn)噸鈷。這么大的需求在2030年后就會(huì )遠遠超越現有的采礦能力。同樣的，到2050年，鎳需求將達到現有需求的兩到三倍。鎳短缺的情況將在本世紀30年代中期變得十分顯著(zhù)。
循環(huán)利用也無(wú)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(kāi)采低品位礦石，特別是在價(jià)格攀升的時(shí)候；但是加工成本上升會(huì )推高銷(xiāo)售價(jià)格。
一旦供應觸頂，我們估計電動(dòng)車(chē)電池的價(jià)格可能會(huì )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(kāi)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，我們認為可以采用更常見(jiàn)的金屬來(lái)制造鋰離子電池電極，比如說(shuō)鐵和銅。一千克的鐵只需要6到9美分。地球的鐵蘊藏量有760億噸，足以輕松滿(mǎn)足數十億電池的需求，這些電池有望替換現今的汽油車(chē)內燃機。
中國的電動(dòng)公交車(chē)已經(jīng)開(kāi)始使用通過(guò)富鐵材料制造的常規電池正極，比如磷酸鋰鐵（縮寫(xiě)LFP；化學(xué)式LiFePO4）。這種材料能夠在反復充放電后維持性能，但它攜帶電荷的效率要弱于基于鈷或基于鎳的正極（參見(jiàn)“能量?jì)?yōu)勢”）。為了達到同樣的行駛里程，需要兩倍于含鈷/鎳的電池數量的鐵基鋰電池，消耗的總成本也幾乎翻番。
目前使用另一種常見(jiàn)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(wèn)題。今年早些時(shí)候，一種基于鈮錳氟氧化鋰的正極在實(shí)驗室中被證實(shí)能夠達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(chē)輛中使用并不**。
我們認為，* 具潛力的鎳和鈷替代品是在電極中使用轉化材料。銅和鐵的氟化物以及硅可以和鋰離子發(fā)生化學(xué)反應。轉化材料電極中的過(guò)渡金屬可以?xún)Υ孢_常規電極中六倍之多的鋰原子。這類(lèi)材料會(huì )膨脹以容納這些額外的鋰原子，因此配套的電池設計必須容許這樣的變化。
未來(lái)的負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。轉化材料的正極與硅負極在下一代鋰離子電池中的結合可以允許新電池達到* 好的常規電池兩倍多的體積能量密度，或是三倍多的重量能量密度。只要現在一半數量的電池就足以驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)，這也會(huì )同時(shí)使電池的成本、重量和體積減半。
硅負極技術(shù)正在不斷進(jìn)步。特斯拉公司已經(jīng)在電動(dòng)車(chē)的鋰離子電池負極中使用了少量的硅來(lái)取代石墨，寶馬公司也宣布了在其未來(lái)動(dòng)力電池中采用硅主導的負極的計劃。其它公司也同樣在開(kāi)發(fā)以硅為主的負極材料，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(méi)有走出實(shí)驗室。轉化材料類(lèi)型的電池仍需要20小時(shí)來(lái)充電——需要削減到幾十分鐘。在充電時(shí)，這類(lèi)電池還要額外消耗近三成的能量——應當不超過(guò)10%。它們的穩定性也需要從5-500次充放電循環(huán)提高到1000-2000次循環(huán)。
轉化材料和電解質(zhì)材料之間負面的副反應需要減少到*小，相關(guān)的電極與電解質(zhì)的微結構和成分也必須得到優(yōu)化。我們還需要探索新的電池架構以容納電極在充放電中的膨脹和收縮，同時(shí)保持導電接觸良好。
為了確保未來(lái)電動(dòng)交通運輸的可負擔性，還需要實(shí)現若干項技術(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(kāi)發(fā)更加有效的電解質(zhì)。工程師需要開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)這些材料的合適工具。
政府機構和領(lǐng) 先的汽車(chē)制造商應當資助這些需要數十億美元投資的研究。我們認為，分配這些資金的* 好方法是給項目指定具體的目標，就像美國能源部的先進(jìn)研究計劃署（ARPA-E）做的那樣。開(kāi)發(fā)不含鈷和鎳的電池應當是首要目標之一。
隨著(zhù)富有前景的電池材料和電池技術(shù)的出現，科研資金應當轉而專(zhuān)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。我們預計合成轉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構。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(guò)濾和復合材料制造等領(lǐng)域。
鋰離子電池廠(chǎng)商已經(jīng)在幾十座超級工廠(chǎng)中投資了幾十億美元來(lái)推動(dòng)電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)發(fā)展。通過(guò)協(xié)調、權衡和計劃，這些投入有望為我們帶來(lái)下一代可負擔電池。