锂离子电池革命仅余10年 其性能和价格的演进速度正在放缓

在不久前出版的《自然》(Nature)杂志上,一篇题为《距离锂电子电池革命仅余10年》(Tenyearslefttoredesignlithium-ionbatteries)的文章指出,锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓。

如果不加大对基于储量丰富的铁、铜等材料的电极材料的研究,电动汽车的大规模发展将受到限制!

文章认为,造成上述问题的主要原因包括以下几点:

一是因为技术已近极致,且尚未突破。

在电极材料的晶体结构中,可以储存的电荷量快要接近理论最大值;市场规模的增长难以继续带来大幅度的价格降低。

二是现有资源开始短缺,而替代材料尚未出现。

目前普遍采用的电极材料,如钴和镍十分稀缺,且价格昂贵,如果没有任何新的变化,预计在2030~2037年间(或更早),钴和镍的需求量就会超过产量。另一方面,新的替代电极材料,如储量丰富的铁、铜,则还处于早期研究阶段。

自1990年首次问世以来,锂离子电池在消费性电子产品、储能(家用、公用事业)、电动汽车行业得到了广泛的应用。随着产能规模的扩大,其性能大幅提升、价格大幅下降。

而驱动锂离子电池的成本下降和性能提升的四个关键因素中,化学材料则是其中最重要的一项。

电池的性能受两极化学材料的影响。阴极材料主要包括锂镍锰钴(NMC)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂锰氧化物(LMO)和磷酸铁锂(LFP);阳极材料大多数采用石墨,重型汽车中为增加循环寿命,也会使用钛酸锂(LTO)。

NMC和NCA技术的主要优点是能量密度更高,主导了轻型电池市场;

LFP的能量密度低,但得益于更高的循环寿命和安全性能,它成为重型电动汽车(即客车)采用的主要化学物质。

化学材料对电池成本有着较大的影响,LFP-Gr最为昂贵,约为240美元/千瓦时,比最便宜的NMC811-Gr电池高出约20%。

根据IEA的分析,锂离子电池虽然能在未来的二十年内占据主导,但其化学材料将逐渐发生变化。

2025年前后,新一代拥有低钴、高能量密度和阴极锂镍锰钴(NMC)811等特性的锂离子电池将进入量产。在石墨阳极中加入少量的硅,可将能量密度提高50%,而能够承受较高电压的电解质盐也将有助于提高性能。

2025年至2030年期间,锂金属为阴极、石墨/硅复合材料为阳极的锂离子电池可能会进入设计阶段,甚至还可以引入固态电解质以进一步提高能量密度和电池安全性。此外,锂离子技术可能会被锂空气、锂硫等其他有着更高能量密度和更低理论成本的电池所取代。但实际上,这些技术的发展水平仍非常低,实际性能尚待测试。